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Aktive Galaktische Kerne: Quasare mit Tarnkappe

Beobachtungen mit Weltraumteleskopen belegen die Entstehung von Quasaren als Folge von galaktischen Kollisionen. Ein Schicksal, das auch der Milchstraße bevorsteht!
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Absurd, meinten etliche Astronomen: Bei den "aktiven Galaxien" solle es sich um solche handeln, in denen Gas auf Schwarze Löcher mit mehreren Milliarden Sonnenmassen strudelt? Sie suchten stattdessen seit der Entdeckung der Quasare vor nunmehr fast einem halben Jahrhundert nach Hinweisen darauf, dass aktive Galaxien vielmehr Objekte in unserer unmittelbaren Nachbarschaft sind. Nach und nach schwindet nun aber die Zahl der "Skeptiker" – meist gleichzeitig Verfechter der Steady-State-Theorie, wie auch der im Januar verstorbene Brite Geoffrey Burbidge –, weil die Beweise für die extragalaktische Natur der aktiven Galaxien rapide wächst.

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Quasar-Fusion | Das Team um Ezequiel Treister analysierte aktive Galaxien im nahen Universum (oben) und im Kosmos vor 6,5 Milliarden Jahren (unten), als dieser halb so alt war wie heute. In allen Fällen zeigten sich Spuren von Galaxienverschmelzungen. Liegen diese weniger als etwa 100 Millionen Jahre zurück, wird die Quasar-Strahlung durch Staub und Gas abgeschirmt.
Ungeklärt ist nach wie vor, wie es schon recht schnell nach dem Urknall zu solch enormen Schwerkraftmonstern kommen konnte. Wurden die supermassereichen Schwarzen Löcher (super-massive black holes, SMBHs) quasi schon bei Anbeginn des Kosmos geboren? Gab es sie schon vor den Galaxien oder den Sternen? Bislang beschränkten sich die Beobachtungen von den Exemplaren im frühen Universum zumeist auf jene Vertreter der aktiven Galaxien, bei denen einer ihrer beiden fast lichtschnellen Materiestrahlen, den Jets, auf die Erde gerichtet ist und seine Helligkeit nach den Regeln der speziellen Relativitätstheorie verstärkt wird – so ähnlich, wie der stark gebündelte Strahl eines Leuchtturms über Dutzende Kilometer vom offenen Meer aus zu sehen ist.

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Illustration eines Quasars | Junge Quasare verschlingen große Mengen Gas aus ihrer nächsten Umgebung und senden dabei an jedem Pol einen Kegel aus Materie und energiereicher Strahlung (=Jet) ins All. Das angezogene Material strudelt in einer Scheibe auf das zentrale Schwarze Loch zu und wird dabei mehrere Millionen Grad heiß. Starke Magnetfelder beschleunigen einen Großteil dieses Plasmas in den Polregionen nach außen.
Was ist jedoch bei starken Sichtbehinderungen? Die Seefahrer und die Leuchtturmwärter behelfen sich mit Nebelhörnern – also Schallwellen. Diese Option fällt im All flach, aber die Astronomen können stattdessen mit Hilfe von Röntgen- und Infrarotsatelliten Strahlung auffangen, die den Staub innerhalb der Galaxien fast ungehindert durchdringt. So wurden im Lauf der letzten Jahre immer mehr Quasare aufgespürt, die bei den optischen Suchkampagnen unentdeckt blieben. Doch woher kommen die immensen Mengen an Staub und Gas, die nötig sind, um einen Aktiven Galaktischen Nukleus (AGN) derart stark abzuschirmen? Und beeinflussen die Nebelwolken dessen Wachstum?

Dieser Frage ist ein Team um Ezequiel Treister von der University of Hawaii in Manoa nachgegangen. Die Forscher bedienten sich dabei der Durchmusterungen der NASA-Weltraumteleskope Chandra und Spitzer und neuer Aufnahmen des Hubble Space Telescope mit der Wide Field Camera 3 (WFC3), die im Rahmen der letzten Service-Mission im Mai 2009 installiert worden war: Erst sie lieferte ausreichend detaillierte Bilder.
"Jeder neue Quasar beginnt seine Aktivität nach einem Merger zweier massereicher Galaxien."
(Ezequiel Treister)
Der in Zürich geborene Kevin Schawinski von der Yale University hat sie nun analysiert: "Unsere Idee war, dass Galaxienkollisionen all dieses Material aufwirbeln, die Produktion von neuen Sternen anregen und dabei gleichzeitig die Schwarzen Löcher füttern und sie deshalb zu Quasaren werden, die aber zunächst hinter all dem Gas und Staub verborgen sind." Treister erläutert: "Die Beobachtungen haben einen unerwarteten Anstieg der Zahl an verschleierten Quasaren ergeben, je weiter wir in die Vergangenheit blicken."

Durch dieses Verhältnis von sichtbaren zu optisch unsichtbaren Quasaren wird zwar das hohe Staubaufkommen im frühen Kosmos belegt – hängt dies aber auch mit vorausgegangenen Verschmelzungen von Welteninseln zusammen? Schawinski stellt fest: "Die Hubble-Bilder zeigen auf spektakuläre Weise, dass diese Quasare tatsächlich in enormen Galaxienkollisionen stecken." Die Statistik legt sogar noch einen strengeren Schluss nahe: "Dies deckt sich mit dem Szenario, in dem jeder neue Quasar seine Aktivität nach einem Merger zweier massereicher Galaxien beginnt", so Treister. Der in Argentinien geborene Chilene weiter: "Der Quasar ist dann zunächst rund 100 Millionen Jahre lang in Staub und Gas eingebettet, bis er es geschafft hat, mit seinen Strahlen durch die Wolken zu brechen. Er scheint dann als sichtbarer Quasar über noch einmal etwa den gleichen Zeitraum."

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Quasar-Phasen | Die Verschmelzung zweier großer Galaxien (links) löst das Einsetzen des Quasar-Mechanismus aus, der jedoch zunächst noch hinter den Mengen an Staub und Gas verborgen bleibt (Mitte). Erst nach etwa 100 Jahren bahnen sich die Strahlen ungehindert ihren Weg ins All (rechts).
Den Berechnungen der Forscher zufolge wächst das SMBH in dieser Phase beträchtlich. Hat es zunächst etwa das Gewicht von jenem im Zentrum der Milchstraße – rund eine Million Sonnenmassen –, kann es seinen Materiegehalt durch das Aufsammeln von Gas und Staub mehr als vertausendfachen. Treister zieht den Umkehrschluss: "Die geringe Masse des SMBH der Milchstraße deutet an, dass unsere Galaxis noch keine Quasarphase durchlaufen hat. Sie ist einfach viel kleiner als die Galaxien, die wir untersucht haben."

"Höchstwahrscheinlich wird sich nach dem Merger von Milchstraße und der Andromeda-Galaxie ein Quasar einschalten."
(Ezequiel Treister)
Man beachte das Wörtchen "noch". Denn der große Andromedanebel M31 und die Milchstraße – die beiden größten Galaxien der Lokalen Gruppe – treiben aufeinander zu und werden in rund drei Milliarden Jahren kollidieren, ein intergalaktischer Zusammenprall, bei dem die Sonne Passagier ist. Ein Ausweichen ist nicht möglich. Bei der Verschmelzung der Welteninseln nähern sich zunächst die zentralen Schwarzen Löcher in einer immer enger werdenden Spirale und vereinigen sich recht schnell. Anschließend strömen Staub und Gas zu dem neu entstandenen gravitativen Zentrum hin. Treister schließt: "Es hängt alles nur von der Menge an verfügbarem Staub ab, aber höchstwahrscheinlich wird sich nach dem Merger von Milchstraße und der Andromeda-Galaxie ein Quasar einschalten." Bleibt der Sonne und uns – falls es uns noch gibt – nur zu wünschen, dass wir von dem neuen Leuchtfeuer nicht geröstet werden.
12. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 12. KW 2010

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  • Quellen
Treister, E., et al.: Major Galaxy Mergers and the Growth of Supermassive Black Holes in Quasars. In: Science 10.1126/science.1184246, 2010.

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