Was ist ein Quasar?

Ein winziger schwarzer Punkt in der Mitte einer leuchtenden Scheibe, ein Strahl, der senkrecht zur Scheibe austritt.

Künstlerisches Konzept von Quasar J0313-1806, dem derzeit am weitesten entfernten bekannten Quasar. Quasare sind stark leuchtende Objekte im frühen Universum, von denen angenommen wird, dass sie von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden. Diese Abbildung zeigt eine breite Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch und zeigt einen extrem schnellen Wind, der mit etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit strömt und in der Nähe von JO313-1806 gefunden wird. Ankommentierte Versiondieses Bildes. Bild über NOIRLab/ NSF/ AURA/ J. da Silva/Keck-Observatorium.


Das WortQuasarsteht fürquasistellare Radioquelle. Quasare erhielten diesen Namen, weil sie sternförmig aussahen, als Astronomen sie Ende der 1950er und Anfang der 60er Jahre zum ersten Mal bemerkten. Aber Quasare sind keine Sterne. Sie sind heute als junge Galaxien bekannt, die sich in großen Entfernungen von uns befinden und deren Zahl zum Rand des sichtbaren Universums hin zunimmt. Wie können sie so weit weg und doch sichtbar sein? Die Antwort ist, dass Quasare extrem hell sind, bis zu 1.000 Mal heller als unsere Milchstraße. Wir wissen daher, dass sie hochaktiv, die über das gesamte Gebiet erstaunlich viel Strahlung aussendetelektromagnetisches Spektrum.

Da sie weit weg sind, sehen wir diese Objekte so, wie sie waren, als unser Universum jung war. Der älteste Quasar ist derzeitJ0313-1806. Seine Entfernung wurde mit 13,03 Milliarden . gemessenLichtjahre, und daher sehen wir es nur 670 Millionen Jahre nach dem Urknall.


Was geschah damals in unserem Universum, um Quasare so erstaunlich hell zu machen?

Ein über einen Teil des Himmels gelegtes Gitter mit sehr vielen bunten Punkten und winzigen Flecken.

Hier sind 100 Quasare, die anhand von Daten der Hyper Suprime-Cam auf dem Subaru-Teleskop identifiziert wurden. Die oberen 7 Reihen repräsentieren die 83 Neuentdeckungen. Die unteren 2 Reihen repräsentieren 17 zuvor bekannte Quasare im Untersuchungsgebiet. Bild überNAOJ.

Astronomen glauben nun, dass Quasare die extrem leuchtenden Zentren von Galaxien in ihren Kinderschuhen sind. Nach jahrzehntelangen intensiven Studien haben wir einen anderen Begriff für diese Objekte: Ein Quasar ist eine Art vonaktiver galaktischer Kern, oderAGN. Tatsächlich gibt es viele verschiedene Arten von AGNs, von denen jede ihre eigene Geschichte zu erzählen hat. Es wird angenommen, dass die intensive Strahlung, die von einem AGN freigesetzt wird, von einemsupermassives Schwarzes Lochin seiner Mitte. Die Strahlung wird emittiert, wenn Material imAkkretionsscheibeDie Umgebung des Schwarzen Lochs wird durch die intensive Reibung, die durch die unzähligen Kollisionen der Staub-, Gas- und anderen Materieteilchen in der Scheibe erzeugt wird, auf Millionen von Grad überhitzt.

Die nach innen gerichtete Materiespirale in der Akkretionsscheibe eines supermassiven Schwarzen Lochs – also im Zentrum eines Quasars – ist das Ergebnis von Teilchen, die kollidieren und gegeneinander prallen und verlierenSchwung. Dieses Material stammte aus den riesigen Gaswolken, die hauptsächlich ausmolekularer Wasserstoff, die das Universum in der Ära kurz nach dem Urknall füllte.




Quasare verfügten also, wie sie im frühen Universum waren, über einen riesigen Vorrat an Materie, von der sie sich ernähren konnten.

Wenn sich die Materie in der Akkretionsscheibe eines Quasars/Schwarzen Lochs erwärmt, erzeugt sie Radiowellen, Röntgenstrahlen, ultraviolettes und sichtbares Licht. Der Quasar wird so hell, dass er ganze Galaxien überstrahlen kann. Aber denken Sie daran … Quasare sind sehr weit entfernt. Sie sind so weit von uns entfernt, dass wir nur den aktiven Kern oder Kern der Galaxie beobachten, in der sie sich befinden. Wir sehen nichts von der Galaxie außer ihrem hellen Zentrum. Es ist, als würde man nachts einen weit entfernten Autoscheinwerfer sehen: Man hat keine Ahnung, welchen Autotyp man sieht, da alles außer dem Scheinwerfer dunkel ist.

Auf der anderen Seite gibt es Galaxien, dienichtals Quasare eingestuft, die aber immer noch helle, aktive Zentren haben, in denen wirkannden Rest der Galaxie sehen. Ein Beispiel für diese Art von AGN heißt aSeyfert-Galaxienach dem verstorbenen AstronomenCarl Keenan Seyfert, der sie als erster identifizierte.

Eine Spiralgalaxie von Angesicht zu Angesicht mit leuchtend gelblichem Zentrum und rosa Flecken entlang der Arme.

NGC 1068 (Messier 77) war eine der ersten klassifizierten Seyfert-Galaxien. Sie ist die hellste und eine der nächsten und am besten untersuchten Typ-2-Seyfert-Galaxien und der Prototyp dieser Klasse. Dieses Bild von 2013 ist über dieHubble-Weltraumteleskop.


Seyfert-Galaxien machen vielleicht 10 % aller Galaxien im Universum aus: Sie werden nicht als Quasare klassifiziert, weil sie viel jünger sind und gut definierte Strukturen haben, eher als die eher formlosen und amorphen jungen Galaxien, von denen angenommen wird, dass sie Quasare wie Bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall.

Aber bedenken Sie nur die Energiemengen, die erforderlich sind, um ein Objekt ausreichend zu beleuchten, um es in Radiowellen aus den entlegensten Bereichen des Universums sichtbar zu machen, wie ein Seemann, der einen weit entfernten Leuchtturm über einen ganzen Ozean hinweg erblicken kann. Quasare können bis zum Tausendfachen der Energie der kombinierten Leuchtkraft der etwa 200 Milliarden Sterne in unseren eigenen emittierenMilchstraßeGalaxis. Ein typischer Quasar ist 27Billionmal heller als unsere Sonne! Ersetzen Sie die Sonne am Himmel durch einen Quasar, und seine unglaubliche Leuchtkraft würde Sie sofort blenden, wenn Sie waghalsig genug sind, sie direkt anzusehen. Wenn Sie einen Quasar in der Entfernung von Pluto platzieren würden, würde er alle Ozeane der Erde in einer Fünftelsekunde zu Dampf verdampfen.

Astronomen gehen davon aus, dass die meisten, wenn nicht alle großen Galaxien in ihrer Jugend, kurz nach ihrer Entstehung, eine sogenannte „Quasarphase“ durchliefen. Wenn dies der Fall war, ließ ihre Helligkeit nach, als ihnen die Materie ausging, um die Akkretionsscheibe zu ernähren, die ihre supermassiven Schwarzen Löcher umgab. Nach dieser Epoche gingen die Galaxien in Ruhe, ihre zentralen Schwarzen Löcher fehlten an Material, von dem sie sich ernähren konnten. Es wurde jedoch beobachtet, dass das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie kurz aufflackert, als passierendes Material in es eindringt und Radiowellen und Röntgenstrahlen freisetzt. Es ist vorstellbar, dass ganze Sterne auseinandergerissen und verzehrt werden, wenn sie die eines Schwarzen Lochs durchquerenEreignishorizont, Der Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt.

Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass unser Wissen über die Galaxienentwicklung – vom jugendlichen Quasar bis zur ruhenden Galaxie mittleren Alters – noch lange nicht vollständig ist. Galaxien bieten uns oft Ausnahmen, und als Beispiel brauchen wir nicht weiter zu suchen als unsere eigene Milchstraße. Heute wissen wir beispielsweise, dass vor 3,5 Millionen Jahren eine gigantische Explosion namens aSeyfert-Fackelim Zentrum unserer Galaxie. Es war anscheinend zentriert aufSchütze A*, das supermassive Schwarze Loch der Milchstraße, das zwei riesige Keulen aus überhitztem . erzeugtPlasmasich etwa 25.000 Lichtjahre vom galaktischen Nord- und Südpol aus erstrecken. Diese riesigen Lappen heißenFermi-Blasenund sind heute sichtbar unterGammaundRöntgenWellenlängen (sehr hohe Frequenzelektromagnetische Emissionen).


Astronomen lernen also immer noch etwas über die Besonderheiten der Galaxienentwicklung.

Edge-on-Galaxie, riesige rote und blaue Kugeln oben und unten in der Mitte, eingelassenes Diagramm.

Größer anzeigen.| Künstlerisches Konzept der verblüffenden Fermi-Blasen, die 2010 entdeckt wurden. Diese riesigen Lappen erstrecken sich über und unter der Ebene unserer Milchstraße. Sie leuchten in Gammastrahlen und Röntgenstrahlen und sind somit für das menschliche Auge unsichtbar. Die Grafik zeigt, wie das Hubble-Weltraumteleskop verwendet wurde, um das Licht eines entfernten Quasars zu untersuchen, um die Fermi-Blasen zu analysieren. Das Licht eines Quasars ging durch eine dieser Blasen. In dieses Licht sind Informationen über die Geschwindigkeit, Zusammensetzung und schließlich die Masse des Ausflusses eingeprägt. Quasare sind also nicht nur mysteriös, sie können auch nützlich sein! Bild überHubbleSite.

Tatsächlich war die Geschichte der Quasare für Astronomen kein einfacher Weg. Als Ende der 1950er Jahre Quasare entdeckt wurden, sahen Astronomen mit Radioteleskopen sternähnliche Objekte, die Radiowellen ausstrahlten (daherquasi-stellarRadioobjekte), die aber in optischen Teleskopen nicht sichtbar waren. Ihre Ähnlichkeit mit Sternen, ihre Helligkeit und kleinWinkeldurchmesserverständlicherweise führten die damaligen Astronomen zu der Annahme, dass sie Objekte in unserer eigenen Galaxie betrachteten. Allerdings ist die Prüfung derRadiospektrenvon diesen Objekten zeigte, dass sie mysteriöser waren, als irgendjemand erwartet hatte.

Viele frühe Beobachtungen von Quasaren, darunter die von3C48und3C273, die ersten beiden entdeckten Quasare, wurden in den frühen 1960er Jahren von britisch-australischen Astronomen hergestelltJohn Bolton. Er und seine Kollegen wunderten sich darüber, dass Quasare in optischen Teleskopen nicht sichtbar waren. Sie wollten die sogenannten „optischen Gegenstücke“ von Quasaren finden, also einen Quasar, der mit einem Teleskop für ihre Augen sichtbar und nicht nur mit Radioinstrumenten nachweisbar ist.

Astronomen wussten zu dieser Zeit einfach nicht, dass Quasare extrem weit entfernt waren, zu weit entfernt, als dass ihre optischen Gegenstücke zu dieser Zeit von der Erde aus sichtbar waren, obwohl sie von Natur aus brillante Objekte waren. Aber dann, 1963, AstronomenAllan SandageundThomas A. Matthewsfanden, wonach sie suchten: ein schwacher, blauer Stern an der Stelle eines bekannten Quasars. Nehmen seineSpektrum, waren sie ratlos: Es sah so aus, als hätten sie noch nie etwas gesehen. Sie konnten weder Kopf noch Zahl daraus machen.

Dann mit dem 200-Zoll (5 m)Hale-Teleskop, konnten Bolton und sein Team den Quasar 3C273 beobachten, wie er hinter dem Mond vorbeizog. Diese Beobachtungen ermöglichen es ihnen auch, Spektren zu erhalten. Und wieder sahen die Spektren seltsam aus und zeigten UnkenntlichkeitEmissionslinien. Diese Linien sagen Astronomen, welche chemischen Elemente in dem von ihnen untersuchten Objekt vorhanden sind. Aber die Spektrallinien des Quasars waren unsinnig und schienen Elemente anzuzeigen, die nicht vorhanden sein sollten.

Graph, mit blauer Linie über dem Spektrum, Spiking im Infrarot.

Das Wasserstoffspektrum von Quasar 3C273. Die Emissionslinien sind nach rechts zu längeren Wellenlängen verschoben, verglichen damit, wo sich normalerweise Wasserstoff-Emissionslinien im Spektrum befinden würden. Sie sindrotverschoben, was darauf hinweist, dass sich der Quasar in extremer Entfernung von uns befindet. Bild überUniversität von Alberta.

Es war AstronomMartin Schmidtder – nachdem er die seltsamen Emissionslinien in den Spektren von Quasaren untersucht hatte – vermutete, dass Astronomen sehennormalEmissionslinien, die stark in Richtung des roten Endes des elektromagnetischen Spektrums verschoben waren!

Und so hatten sie ihre Antwort. DieRotverschiebunglag an der großen Entfernung des Quasars. Sein Licht wird durch die Ausdehnung des Universums auf seiner langen Reise vom Rand des sichtbaren Kosmos zu uns gedehnt.

Aber wenn es wirklich wahr wäre, dass Quasare so weit entfernt waren wie am Rand des sichtbaren Universums, wie konnten sie dann so viel Energie erzeugen? Im Jahr 1964 wurde sogar die Existenz von Schwarzen Löchern heiß diskutiert. Es gab viele Wissenschaftler, die sie nur für mathematische Freaks hielten, weil sie im realen Universum sicherlich nicht existieren konnten.

Die Debatte über die Natur von Quasaren tobte also bis in die 1970er Jahre, als eine neue Generation von erd- und weltraumgestützten Teleskopen zweifelsfrei feststellte, dass Quasare tatsächlich in großen Entfernungen liegen, dass wir noch junge Galaxien sehen, dass die Quasarstadium ist eine natürliche Phase ihres Wachstums. Nachdem auch Schwarze Löcher endlich ernst genommen wurden, konnten Astronomen nun endlich die Identität des fast unverständlichen Kraftpakets hinter Quasaren modellieren: Supermassive Schwarze Löcher, die enorme Mengen an Gas verbrauchen und dadurch enorme Energiemengen über das gesamte Spektrum abstrahlen.

Dieses Modell erklärt, warum Quasare am Rand des sichtbaren Universums sitzen und warum wir sie nicht näher sehen: Weil Quasare junge Galaxien sind, die nicht lange nach ihrer Entstehung im frühen Universum gesehen werden.

Die Erforschung von Quasaren und aktiven galaktischen Kernen im Allgemeinen ist weit fortgeschritten, aber es gibt vieles, was wir immer noch nicht verstehen. Ich glaube jedoch, dass ein Teil unseres Mangels an Verständnis ein Mangel an Vorstellungskraft ist. Es ist praktisch unmöglich, die Energiemengen zu verstehen, die von den Schwarzen-Loch-Motoren im Herzen von Quasaren, diesen Monstern im Dunkeln, erzeugt werden. Es ist ebenso schwer einzuschätzen, wie weit sie von uns entfernt sind. Aber das ist kaum unsere Schuld: Unsere armen Affenhirne sind einfach nicht gut gerüstet, um mit solchen Konzepten umzugehen.

Quasare sind nur ein Beispiel für ein Tier im kosmischen Zoo, bei dem man die Fakten einfach akzeptieren muss, anstatt zu versuchen, sie zu verstehen.

Eine wirbelnde Scheibe mit einer großen schwarzen Kugel in der Mitte und Strahlen, die von beiden Polen der schwarzen Kugel ausstrahlen.

Künstlerisches Konzept des Quasars Poniua’ena, dem ersten Quasar, der einen indigenen hawaiianischen Namen erhielt. Bild via International Gemini Observatory/ NOIRLab/ NSF/ AURA/ P. Marenfeld/UANews.

Fazit: Quasare sind extrem helle und extrem weit entfernte Objekte. Es wird angenommen, dass ihre enorme Energieabgabe auf die Aktivität um das zentrale supermassereiche Schwarze Loch in jungen Galaxien nahe dem Rand des beobachtbaren Universums zurückzuführen ist.

Ein paar Mondkalender sind noch übrig. Bestellen Sie Ihre, bevor sie weg sind!