Quasare

Quasar oder QSO?
Nochmal Schwazes Loch
Jets
Schneller als das Licht?

Quasar oder QSO?

Erstmals in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurde durch die optische Astronomie ein Objekt nachgewiesen, welches man bereits Jahre zuvor als starken Radiostrahler entdeckte. Bei dieser Quelle (genannt 3C 273) fand man dann eine Rotverschiebung von 15%, was einer Entfernung von 2 Milliarden Lichtjahren und einer Fluchtgeschwindigkeit von 45 000 [km s-1] entsprach.

Quasar 3C273
Quasar 3C273
Der Quasar 3C 273. Deutlich ist einer der beiden Jets zu erkennen. Der andere entzieht sich unseren Blicken, weil er sich mit relativistischer Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung von uns fortbewegt (zu Jets siehe auch weiter unten).

 

Da man hier seinerzeit nur einen einzigen Stern 13. Größe sah, war man sehr erstaunt über die ernorme Helligkeit. Selbst eine komplette Galaxie in dieser Entfernung hätte wesentlich lichtschwächer sein müssen. Diese bis dahin unverstandenen Objekte nannte man deshalb Quasar, abgeleitet von Quasi-stellarer Radioquelle. Bis heute hat man mehrere Tausend dieser Quasare entdeckt, jedoch treten die wenigsten von ihnen auch als starke Radiostrahler in Erscheinung. Deshalb nennt man sie eigentlich besser QSO, Quasi- stellares Objekt, dennoch hat sich die Bezeichnung Quasar hartnäckig durchgesetzt.

Quasare sind die hellsten bekannten Objekte im Kosmos. Sie strahlen im sichtbaren Licht mit einer Leuchtkraft, die unvorstellbare 1012 bis 1014 mal größer ist als die der Sonne. Auch im Röntgenbereich ist ihre Energieabgabe vergleichbar hoch. An dieser Stelle müssen wir uns nun klarmachen, dass diese ungeheuren Energiemengen in einem Raum ausgestoßen werden, der nicht größer als etwa unser Planetensystem sein kann. Für kosmische Verhältnisse ist das verschwindend klein, für einen einzelnen Stern jedoch wiederum zu groß. Es muss also eine andere Quelle sein, die solch faszinierend große Energiemengen auszustoßen in der Lage ist.


Bei ihrer optischen Beobachtung sieht man scheinbar nur einen einzelnen Stern, in der Tat handelt es sich bei einem QSO aber um den sehr aktiven Kern einer Galaxie, der alle anderen Sterne des Systems überstrahlt. Die Energieabgabe der Quasare unterscheidet sich stark von Sternen oder Gas. Während letztere in einem nur schmalen Wellenlängenbereich abhängig von der Temperatur strahlen, gibt ein QSO über einen sehr breiten Bereich seine Energie ab.

Jedes der oben markierten Fleckchen stellt einen Quasar dar, eine, wie wir heute wissen, frühzeitliche Galaxie. Eine Bestimmung der Entfernung ist nur durch die Rotverschiebung des Lichts möglich. Einzelsterne, die den Astronomen als so genannte Standardkerze dienen könnten, lassen sich bei solch weit entfernten Objekten nicht mehr auflösen. Die Rotverschiebung wird durch die Expansion des Universums verursacht, welche die Wellen des Lichts quasi auseinander zieht. Von links nach rechts betragen die Rotverschiebungen Z= 5,00 Z= 4,90 und Z= 4,75, was bedeutet, dass diese QSO's rund 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind! Sie zählen mit zu den entferntesten Objekten, die je ein Mensch gesehen hat.

Mit freundlicher Genehmigung von Sloan Digital Sky Survey


Die Energieemission der Quasare kann über ein breites Spektrum, vom Radiobereich über Infrarot, sichtbares Licht, UV, bis hin zum Röntgen- und Gammabereich erfolgen. Die Energieabgabe ist jedoch variabel und unterliegt unregelmäßigen Schwankungen im Bereich von Stunden bis zu Jahren. Aus diesen Schwankungen kann man auf die Größe der Objekte schließen, wobei sich Ausdehnungen von rund 1015 [cm] ergeben. Das entspricht in etwa der Größe eines Planetensystems.

Quasar 3C279
Quasar 3C279
Der Quasar 3C279, aufgenommen vom Compton- Gammateleskop. Bereits 1991 wurde diese Gammaquelle als die bis dahin stärkste je beobachtete erkannt, sie strahlt im Gammabereich 40 Millionen Mal stärker als im sichtbaren Licht. Kurz nach dieser Aufnahme wurde die Strahlung des Objekts allerdings immer schwächer, der Grund dafür ist nicht bekannt.

Mit freundlicher Genehmigung von EGRET Team, Compton Observatory, NASA


Noch mal Schwarzes Loch

Die wahrscheinlichste Theorie für die extreme Energieumsetzung in Quasaren ist, wie wir sicher schon ahnen, dass im Zentrum dieser jungen Galaxien sehr massereiche Objekte Materie akkretieren. Zur Freisetzung der überaus großen Energiemengen, allein im visuellen Bereich von 1038 bis 1041 Watt, sind Massen von etwa 1 Million bis weit über 1 Milliarde Sonnenmassen erforderlich. Solche Objekte können nur als Schwarze Löcher existieren.

Berechnet man den Schwarzschildradius für diese Massen, der ja die untere Grenze der räumlichen Ausdehnung darstellt, so gelangt man an Werte zwischen 1011 und 1014 [cm]. Das stimmt mit der oben abgeschätzten Größenordnung tatsächlich überein, denn wir müssen ja noch die Abmessung der das Schwarze Loch umgebenden Materiescheibe hinzu rechnen.


Jets

Quasare bergen also in ihrem Innern Schwarze Löcher, die äußerst aktiv sind und riesige Mengen umgebender Materie verschlingen. Die Materie in den umgebenden Akkretionsscheiben wird nicht nur so extrem erhitzt, dass sie sogar Gammastrahlung emittiert, sondern Gas aus der Scheibe wird entlang von Magnetfeldlinien beschleunigt und tritt mit relativistischer Geschwindigkeit an den Magnetpolen aus. Das können wir in Form von Jets beobachten, Plasmastrahlen, die vom Kern der Galaxie in zwei entgegengesetzten Richtungen ausgestoßen werden und Ausdehnungen von Millionen (!) Lichtjahren erreichen können.

Ein Schwarzes Loch akkretiert Materie von einem Begleitstern
Ein Schwarzes Loch akkretiert Materie von einem Begleitstern
Nebenstehende Skizze zeigt beispielhaft die Akkretion von Materie durch ein Schwarzes Loch, hier saugt es Gas von einem Begleitstern ab. Aus dem Zentrum schießen zwei entgegengesetzte Jets ins All. Sie werden hervorgerufen durch ein Magnetfeld, welches von der extremen Reibungskräften ausgesetzten, ins Loch spiralenden Materie gebildet wird. Sie wird ultrahoch erhitzt und dabei völlig ionisiert (ihrer Elektronen beraubt), dadurch elektrisch geladen und wirkt wie ein Dynamo. An den Polen des entstandenen Magnetfeldes sind die Feldlinien geöffnet, hier wird das Gas bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Nach Aufbereitung der meist durch Radioteleskope gewonnenen Bilder kann man in den Jets einzelne Knoten erkennen und an ihren Enden manchmal blasenförmige Aufstauchungen, so genannte hot spots. Dabei handelt es sich um Stoßfronten die entstehen, wenn das Gas auf interstellare Materie trifft, hier schlagartig abgebremst wird und sich dabei hoch erhitzt. Manche der Jets sind mehr oder weniger gebogen. Das könnte durch vorbeistreichende intergalaktische Materie (bis zu 1000 [km/s] schnell) hervorgerufen werden, bedingt durch die Bewegung der Galaxie in ihrem Galaxiensystem. Man stelle sich das ähnlich vor wie den Wind, der den Rauch eines Kamins fortbläst.

All diese Effekte lassen sich überzeugend nur mit dem Modell eines Schwarzen Lochs als Zentralmasse der Galaxie erklären. Nur hier kann ein spürbarer Anteil der Ruheenergie (E = mc2) der akkretierten Masse in Energie umgewandelt werden. Man darf sich nun nicht vorstellen, dass die Materie direkt in großen Mengen in das Loch stürzt, sondern sie spiralt relativ langsam (aufgrund der Reibung) nach innen. Nur ein geringer Prozentsatz verschwindet ständig wirklich im Loch, was dann aber mit relativistischer Geschwindigkeit geschieht. Was hier also in allen möglichen Wellenlängen leuchtet ist nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die umgebende Materiescheibe. Die hier freigesetzte Gravitationsenergie erklärt die große Leuchtkraft eines Quasars. Denn weil es sich um eine recht junge Galaxie handelt, ist die Materiedichte im Zentrum noch recht hoch und das Schwarze Loch kann so ungezügelt alles verschlingen, was sich in seiner Nähe aufhält. In älteren Galaxien dagegen haben die Schwarzen Löcher ihre Umgebung leergefegt, sie sind zur Ruhe gekommen.


Akkretionsscheiben sollten ihre Hauptenergie im UV- Bereich abstrahlen, was bei den Quasaren auch der Fall zu sein scheint. Im Kern einer solchen Galaxie werden jedoch viele verschiedene physikalische Prozesse ablaufen, welche für einen weiten Streubereich der abgestrahlten Wellenlängen sorgen. So wird sich z.B. umgebender Staub durch die enorme UV- Strahlung erhitzen, so dass er Wärme abstrahlt und wir somit auch Infrarotemissionen feststellen. Röntgenstrahlung könnte in einer Art Korona der Akkretionsscheibe entstehen, einer heißen und turbulenten Zone, wie sie ja auch auf unserer Sonne zu finden ist. Allerdings kann sich die Materie der Scheibe aufgrund der Reibung auch soweit erhitzen, dass schon hier Röntgenlicht emittiert wird.

Im Inneren der Akkretionsscheibe herrscht ein enormer Gas- und Strahlungsdruck, der mit dafür verantwortlich ist, dass die Materie nach außen hin stark beschleunigt wird. Besitzt die Akkretionsscheibe ein starkes Magnetfeld, so wird der Materiestrom hierdurch in zwei vorgegebene, entgegengesetzte Richtungen gezwungen, nämlich entlang der Feldlinien. Diesen Materiestrom identifizieren wir dann als die bereits erwähnten Jets.

Derart beschleunigte Materie sendet Strahlung vom Radio- bis in den Gammabereich aus. Das Magnetfeld hat möglicherweise auch eine "Antriebsfunktion" auf die Materie: Wenn das Loch rotiert (wovon man in der Regel ausgehen kann), kann das sich mitdrehende, extrem starke Magnetfeld Materie mitreißen und enorm beschleunigen, ähnlich einem Schwungrad. Auch dies könnte zur Entstehung der Jets beitragen.

Quasar- Galerie
Quasar- Galerie

Ansicht einiger vom Hubble- Weltraumteleskop aufgespürten Quasare. Erstmalig zu sehen ist ihre Nachbarschaft, während der Quasar jeweils das sternähnliche Objekt in der Bildmitte ist. Die Bilder in der Mitte und rechts zeigen uns zusammenstoßende oder miteinander verschmelzende Galaxien.

Mit freundlicher Genehmigung von J. Bahcall (IAS, Princeton), M. Disney (Univ. Wales), NASA


Schneller als das Licht?

Die in den Jets vielfach beobachteten Knoten oder Verdickungen sind nicht statisch, sondern wandern vom Ursprungsort nach außen weg. Was sie genau sind, vielleicht Instabilitäten im Jet, ist noch nicht genau bekannt. Sehr überraschend ist allerdings, dass sich diese Knoten scheinbar mit doppelter, ja manchmal sogar mit zehnfacher (!) Lichtgeschwindigkeit bewegen (gemessen durch die Rotverschiebungen). Müssen wir jetzt die Relativitätstheorie begraben?

Sicherlich nicht. Wir müssen hier bedenken, dass die Strahlung vom Kern und die des Knotens unterschiedliche Laufzeiten haben und somit unterschiedliche Strecken zurücklegen. Die Strahlung vom Kern der Galaxie durchmisst immer die gleiche Strecke zu uns (dem Beobachter). Die Signale des Knotens, wenn sie sich fast genau auf uns zu bewegen, benötigen dagegen immer kürzer werdende Laufzeiten, je weiter sie sich vom Kern entfernen und damit näher auf uns zu kommen. Hierdurch kann der Knoten scheinbar mit mehr als Lichtgeschwindigkeit wandern.

Diese scheinbare Überlichtfahrt ist nur beobachtbar (und wird auch bei vielen Radiogalaxien beobachtet), wenn auch der Jet sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt.

In relativistischen Bereichen strahlt die Quelle in einem mit steigender Geschwindigkeit zunehmend konzentrierten Kegel in Bewegungsrichtung. Der Strahlungswinkel wird immer kleiner, und im Bereich nahe der Lichtgeschwindigkeit ist sie nur noch direkt von vorn zu erkennen. In dieser Richtung verstärkt sich scheinbar auch die Strahlungsintensität. Aus diesen Gründen können wir bei einigen Quasaren auch nur einen Jet erkennen, weil der andere sich in einem ungünstigen Winkel mit relativistischer Geschwindigkeit von uns fort bewegt.