Das Weltall

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Quasare

Der Quasar PKS2349 und einige "normale" Begleitgalaxien, aufgenommen mit dem HST. Deutlich erkennt man, dass Quasare sehr viel heller sind als die Kerne gewöhnlicher Galaxien.

Das Wort "Quasar" ist eine Abkürzung für den Begriff "Quasistellare Radioquellen". Die Quasare wurden 1960 mit Hilfe der Radioastronomie entdeckt. Auf ersten Photoplatten erscheinen sie nur punktförmig.

Quasare sind die leuchtkräftigsten Objekte im Universum. Daher kann man sie auch noch in mehreren Milliarden Lichtjahren Entfernung nachweisen. 1998 lag der Rekordhalter bei einer Rotverschiebung von z=5,0. Der bislang leuchtkräftigste Quasar wurde 1991 von Astronomen der Hamburger Sternwarte entdeckt. Das Objekt mit einer scheinbaren Helligkeit von 17,^m7 und einer Rotverschiebung von z=3,02 besitzt eine Leuchtkraft von 2x10¹⁵ Sonnenleuchtkräften. Nach der zur Zeit am meisten favorisierten Theorie handelt es sich bei Quasare um riesige Schwarze Löcher im Zentrum weit entfernter Galaxien. Dort wächst es durch Verschlucken von Gaswolken immer weiter an. Die aufgesammelte Materie fällt nicht geradlinig in das Schwarze Loch, sonden umkreist das Schware Loch auf immer enger werdenden spiralförmigen Bahnen. Es bildet sich eine sogenannte Akkretionsscheibe. Dabei heitzt sich das Gas durch Reibung auf Temperaturen von einigen 100 Millionen Grad auf. Die bei der Akkretion freiwerdende Gravitationsenergie kann einen beträchtlichen Bruchteil der Ruheenergie der akkretierten Materie ausmachen. Diese Art der Energieerzeugung ist um einen Faktor 1000 mal effektiver als die Kernumwandlungsprozesse im Inneren der Sterne. Die leuchtkräftigsten Quasare würden Schwarze Löcher mit 100 Millionen Sonnenmassen - ca. 0,1% der Masse der Quasargalaxie - benötigen. Pro Jahr müssten sie ca. einen Stern verschlingen, was angesichts der hohen Sterndichte in den Zentren von Galaxien durchaus möglich sein sollte. Optische- und UV-Beobachtungen unterstützen diese Vorstellung, denn Quasare sind sehr helle UV-Quellen. Vermutlich stammt diese Strahlung von der heissen, rotierenden Akkretionsscheibe. Auch die Emissionslinien von Wasserstoff, Helium und Eisen deuten auf Bewegungen mit Geschwindigkeiten bis zu 5000km/s hin, was in der Nähe eines massereichen Schwarzen Lochs durchaus zu erwarten wäre.

Quasare findet man in den Zentren verschiedener Galaxientypen. Hier ein paar Beispiele, aufgenommen mit dem Hubble Space Telescope:

Links oben:

Dieses Bild zeigt den Quasar PG0052+251. Er ist 1,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und liegt im Zentrum einer normalen Spiralgalaxie. Die Astronomen waren überrascht, als sie feststellten, dass die "Muttergalaxie" von der starken Strahlung des Quasars scheinbar unbeeinflusst geblieben ist.

Links unten:

Der 1,5 Milliarden Lichtjahre entfernte Quasar PHL909 liegt im Zentrum einer scheinbar normalen elliptischen Galaxie.

Mitte oben:

Zusammenstoss zweier Galaxien mit 1,6 Millionen km/h. Die Trümmer dieser Kollision versorgen wahrscheinlich den 3 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar IRAS04505-2958 mit Energie. Astronomen vermuten, dass hier eine Galaxie senkrecht durch die Scheibe einer anderen Galaxie stiess und den Kern der Galaxie heraus riss. Zurück blieb dabei ein Ring aus Spiralarmen (unten im Bild). Der Galaxienkern liegt vor dem Quasar (dem hellem Objekt in der Mitte). Der Abstand des Quasars von dem Ring beträgt 15000 Lichtjahre. Das helle Objekt über dem Quasar ist ein Vordergrundstern unserer Milchstrasse.

Mitte unten:

Der 1,6 Milliarden Lichtjahre entfernte Quasar PG1012+008 verschmilzt mit einer anderen Galaxie (unterhalb des Quasars). Die beiden Objekte sind 31000 Lichtjahre voneinander entfernt. Die umherwirbelden Gasmassen, die den Quasar und die Galaxie umgeben, sind ein starkes Anzeichen für eine Wechselwirkung zwischen dem Quasar und der Galaxie. Vielleicht beginnt auch schon die kompakte Galaxie links vom Quasar mit dem Quasar zu verschmelzen.

Rechts oben:

Der 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernte Quasar 0316-346 besitzt einen Schwanz aus Gas und Staub. Die Form dieses Schwanzes suggeriert, dass dieser durch Wechselwirkung der Quasar-Muttergalaxie mit einer vorbeikommenden Galaxie (die nicht im Bild zu sehen ist) entstanden ist.

Rechts unten:

Ein Quasar in zwei verschmelzenden Galaxien. Möglicherweise haben sich die Galaxien mehrmals umkreist, bevor sie miteinander verschmolzen sind. Dabei haben sie Bögen leuchtenden Gases um den Quasar IRAS13218+0552 zurückgelassen. Dieser Quasar ist 2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Der längliche Kern im Zentrum des Bildes enthält vielleicht die Kerne der beiden verschmelzenden Galaxien.

Bei einigen Quasaren beobachtet man mit Überlichtgeschwindigkeit aus dem Zentrum strömende Jets. Diese Jets sind vermutlich senkrecht zur Scheibe des akkretierenden Gases orientiert. Jedoch ist die Überlichtgeschwindigkeit nur eine "perspektivische Täuschung". Wenn wir zufällig fast genau in Strahlrichtung eines dieser Jets blicken, der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegt, so sagt die Relativitätstheorie tatsächlich eine scheinbar überlichtschnelle Bewegung der Endpunkte voraus.

Quasare ermöglichen uns eine Untersuchung des "jungen Universums". Bei einer Rotverschiebung von z=4 sehen wir das Universum so, wie es aussah, als es nur 20% seiner heutigen Ausdehnung hatte. Trotz intensiver Suche sind Quasare mit z > 3,5 sehr selten. Das scheint darauf hinzudeuten, dass Quasare in der Frühzeit des Universums recht selten waren. Ausserdem kann das darauf hin deuten, dass auch Galaxien selten waren und sich erst noch bilden mussten. Vielleicht bedeutet es aber nur, dass sich keine Quasare in sehr jungen Galaxien bilden können. Es gibt Hinweise, dass eine quasarähnliche Aktivität in jeder Galaxie möglich sein sollte. Andererseits kann das Schwarze Loch in den Zentren einiger Galaxien so klein sein, dass es von den umgebenden Sternen überstrahlt wird.

Aus der Verteilung der Rotverschiebung kann man schliessen, dass die räumliche Verteilung der Quasare zwischen z=2 und z=3 ihr Maximum hat. Rechnet man das in eine zeitliche Entwicklung um, so findet man, dass die Quasaraktivität eine Milliarde Jahre nach dem Urknall anstieg, etwa 1,3 Milliarden Jahre später ihr Maximum erreichte und innerhalb der nächsten 2 Milliarden Jahre wieder auf das ursprüngliche, niedrige Niveau abfiel. Was physikalisch dahinter steht ist bisher noch unklar. Aus Quasar-Emissionslinien kann man ableiten, dass auch Objekte mit hoher Rotverschiebung bereits den selben Gehalt an schweren Elementen wie unsere Sonne aufweisen. Modellen zu Folge könnten Supernova vom Typ Ia innerhalb von einer Milliarde Jahren das Gas derart mit schweren Elementen anreichern.

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