Von Quasaren und Schwarzen Löchern


* von Roland M. Horn
 

Am 19. November 1996 flatterte mir ein EMail ins Haus, die brandaktuelle News zum obigen Thema zu vermelden hatte. Hubble enthüllt die Heimstätten der Quasare, war die sensationelle Überschrift, doch auch ein historischer Rückblick befand sich in der Presssemeldung, und mit diesem möchte ich hier beginnen:

Quasare - Die phantastischen Lichter

Quasare sind so schwer faßbar und mysteriös gewesen, daß die Jagd darauf, diese Objekte zu definieren, die analytischen Fähigkeiten eines Sherlock Holmes in Anspruch nehmen würde.

Seit ihrer Entdeckung im Jahre1963 haben Astronomen versucht, das Mysterium, wie diese kompakten Licht-Dynamos, die in den äußeren Bereichen des Universums liegen, so viel Energie produzieren können, zu enträtseln.

Quasare sind nicht größer als unser Sonnensystem, jedoch überstrahlen sie hundert Milliarden von Sternen. Diese Licht-Feuer haben Spuren von Beweisen und eine Menge von Hinweisen hinterlassen, aber die Wissenschaftler haben gerade erst damit begonnen, ihr Verhalten zu verstehen.

Jahrhundertelang blieben Quasare unentdeckt - sie erschienen am Himmel als blasse Sterne. Nicht einer hatte den Verdacht, daß mehr dahinter stecken könnte. In den 40er Jahren jedoch wurde entdeckt, daß himmlische Objekte Radio-Wellen ausstrahlten, und dadurch wurde die Radio-Astronomie ins Leben gerufen.

Bald begannen die Astronomen, den Himmel zu untersuchen, um so viele Objekte wie möglich zu finden, die Radio-Wellen ausstrahlen und versuchten, sie mit optischen Objekten in Verbindung zu bringen. Ihre Suche führte sie zu verschiedenen Radio-Quellen, deren Positionen sich mit blauen sternartigen Objekten decken.

Bald versuchten die Astronomen Allan Sandage und Thomas Matthews diese mysteriösen Objekte im Jahre 1960 zu enthüllen. Sie waren verblüfft, eine fremdartige Quelle von Radio-Strahlen zu finden, die in sichtbarem Licht aussahen wie ein blasser Stern. Aber dieses Objekt hatte mehr intensive Radio-Wellen und ultraviolette Strahlung als ein typischer Stern.

1962 nahm der britische Radio-Astronom Cyril Hazard einen Anlauf zum Lösen des Mysteriums. Er hatte eine geniale Methode, verwendete den Mond als eine Marke, um eine Radio-Quelle genau festzustellen. Wenn der Mond vor einer besonderen Radio-Quelle (genannt eine Okkultation), vorbeizog, bemerkte er die präzisen Augenblicke, an denen das Radio-Signal stoppte und wiederauftauchte.

Aber beinahe hätte er die Gelegenheit versäumt, die Informationen aufzuzeichnenen. Hazard war an der Universität von Sydney, und er hat die Beobachtungen am Parkes Radio-Teleskop arrangiert, das etliche hundert Meilen entfernt im australischen Hinterland lag. In der Nacht, in der die Bedeckung stattfand, nahm Hazard den falschen Zug und vergaß die Beobachtung. Glücklicherweise machten der Observatoriums-Direktor John Bolton und andere Astronomen die Beobachtung. Aber Bolton hatte ebenfalls so seine Probleme. Es war ihm nicht möglich, sein Teleskop hoch genug zu schwenken, um die Beobachtung aufzuzeichnen. Also schnitt er ein Büschel von einem Baum ab. Dann bewegte er den Sicherheitsriegel des Teleskops und kippte die verschiedenen Tausend Tonnen Teleskop weit genug, um die Bedeckung einzufangen.

Die Astronomen beobachteten eine Radio-Quelle, die auf ein einzigartiges sternartiges Objekt zurückzuführen sein könnte, und die dann als 3C372 im Sternbild Jungfraubekannt wurde. Obwohl dieses Objekt wie ein gewöhnlicher Stern aussieht, legt es ein eigenartiges Verhalten an den Tag, Das Objekt hat eine gewaltige Anzahl von Radiosignalen ausgestrahlt. Eine optische Analyse vom Spektrum des Objektes war allem, was man zuvor entdeckt hatte, unähnlich.

Was war es? 1963 entzifferte Maarten Schmidt am Mount Palomar Observatorium den Code. Das Spektrum enthielt ein paar fremdartige weite Emissions-Linien, die zunächst sehr konfus erschienen. Bald wurde Schmidt bewußt, daß er die normale Spektral-Linien für Wasserstoff sah. Die Linien jedoch waren zum roten Ende des sichtbaren Spektrums hin verschoben, machten dieses beinahe unerkennbar. Es gab nur eine Erklärung: Dieses Objekt hat sich mit einer Geschwindigkeit von beinahe 300 000 Meilen in der Sekunde von der Erde entfernt , was bedeutet, daß es 3 Milliarden Lichtjahre weg war. Astronomen tauften die Objekte schnell Quasi-stellare Radio-Quellen.

"Einmal knackte Maarten Schmidt den Safe, und alles, was man nicht erwartet hatte, begann einem entgegenzufallen", sagte John Bahcall, damals ein junger Physik-Professor an Caltech, während Schmidt seine Beobachtung machte.

Nun war die Jagd offen, diese Objekte zu definieren. Wie wurden sie gebildet?

Was treibt sie an? Sind sie in Galaxien beheimatet? Wie können so kleine Objekte nur mit lediglich ein paar Licht-Monaten im Durchmesser so viel Strahlung aussenden?

"Quasare zu jagen wurde ein Vorzugssport", sagte der Astronom Mike Disney, der sich dazu entschied, Astronom zu werden, nachdem er die Geschichte von der Entdeckung der Quasare gelesen hatte. "Es war eine aufregende Sache. Sicher, es war ein neues physikalisches Phänomen."

Die Astronomen beeilten sich damit, mehrere von diesen Objekten zu entdecken. Seitdem wurden Tausende von ihnen identifiziert. Sandage fand Quasare, die keine Radio-Wellen aussandten. Diese "radio-stillen" Quasare machen nun ungefähr 99% der Population aus.

Von Theorien bezüglich der Natur dieser Objekte wimmelt es nur so. Eine Theorie stellt die Definition der roten Verschiebung in Frage, die Maßeinheit von der zurückgehenden Geschwindigkeit des Objektes.

Je weiter entfernt ein Objekt ist, desto länger und somit auch rötlicher ist die Wellenlänge. Vielleicht sind Quasare, die Rot-Verschiebungen hatten, gar nicht so weit weg. Vielleicht ist die rote Verschiebung die Maßeinheit für irgend etwas anderes. Aber die meisten Astronomen wiesen diese Theorie ganz schnell zurück.

Der russische Wissenschaftler Yakov Zeldovich schlug nun eine andere Theorie vor, an die die Astronomen heute noch glauben: Schwarze Löcher stellen die Kraft zur Verfügung, die einen Quasar antreibt. Ein schwarzes Loch wird gebildet, wenn ein Riesenstern zu einem Punkt von unendlicher Dichte kollabiert. Astronomen glauben, daß ein Quasar aufdreht, wenn ein Schwarzes Loch in einem Kern einer Galaxie sich von Gas und Sternen ernährt. Wenn Materie in das Schwarze Loch fällt, wird intensive Strahlung ausgesandt.

Sind Quasare in Galaxien beheimatet? Bodenstationierte Teleskope geben den Astronomen keine Hinweise. Einige bodenstationierte Bilder deuten an, daß Quasare in Galaxien beheimatet sind, aber die Astronomen konnten die Umgebung nicht klar sehen.
 

Kommen wir nun zum Kernthema der Presseinformation:
 

Hubble enthüllt die "Heimstätten" der Quasare


Zwei aus Astronomen bestehende Teams gaben am 19. November 1996 dramatische HST-Bilder heraus, die zeigen, daß Quasare in einer bemerkenswerten Vielfalt von Galaxien  'leben', viele von ihnen sind gewaltsam kollidiert. Diese komplizierten Bilder legen nahe, daß es eine Vielzahl von Mechanismen, einige ganz feinsinnig, für das Aufdrehen von Quasaren, den energischsten Objekten im Universum ,gibt.

Die Hubble-Untersucher sind ebenfalls fasziniert von der Tatsache, daß das Studium der Quasare zeigt, daß diese die Galaxien, in denen sie leben, offensichtlich nicht geschädigt zu haben scheinen. Das könnte bedeuten, daß Quasare ein relativ kurzlebiges Phänomen sind, das viele Galaxien, einschließlich der Milchstraße, vor langer Zeit erfahren.

John Bahcall vom Institute of Advanced Studies, Princeton, N. J., betonte, daß Hubbles Klarsicht einen komplizierten Punkt eröffnet. "Obwohl wir vorher dachten, daß wir eine vollständige Theorie über die Quasare hätten, wissen wir nun, daß wir keine hatten.", sagte Bahcall. Keine kohärenten, einfachen Muster von Quasar-Verhalten tauchen auf. Die Basis-Annahme war, daß es lediglich eine Art von Gastgeber-Galaxie oder katastrophale Ereignisse, die einen Quasar speisen, gibt. In Wirklichkeit haben wir kein einfaches Bild, wir haben ein Durcheinander."

Mike Disney, Universität of Wales College, Cardiff, U. K., der Leiter des Europäischen Teams, sagte: "Leute haben vermutet, daß Kollision ein wichtiger Mechanismus für die Speisung von Schwarzen Löchern sein könnte, die die gewaltigen Mengen von Energie generieren, die von den Quasare ausgestrahlt wird. Nun wissen wir, daß wir vor Hubble nichts wußten. Das ist eine wirklich aufregende Leistung."

Obwohl eine Anzahl der Bilder Zusammenstöße zwischen Paaren von Galaxien zeigen, die die Geburt von Galaxien auslösen könnten, enthüllen einige Bilder anscheinend normale ungestörte Galaxien, die Quasare besitzen. "Wir waren erstaunt über die Schönheit und die Klarheit der Hubble-Bilder, wie auch über die Vielfalt von Quasar-Milieus.", sagte Donald Schneider von der Pensylvania State University, University Park, PA.

Erst 33 Jahre zuvor entdeckt, zählen Quasare zuden rätselhaftesten Objekten im Universum, weil sie viel größer sind als das Sonnensystem der Erde, aber sie strahlen 1:1000 mal mehr Licht aus, als eine andere Galaxie, die hundert Milliarden von Sterne enthält.

Ein super-massives schwarzes Loch, das Sterne, sowie Gas und Staub verschluckt - so wird angenommen - ist eine "Maschine" , die einen Quasar antreibt. Die meisten Astronomen deklarieren ein aktives Schwarzes Loch zur einzigen glaubwürdigen Möglichkeit, die erklärt, wie Quasare so kompakt sein können - so vielfältig und so kraftvoll. Trotzdem sind überzeugende Beweise schwer faßbar gewesen, weil Quasare so hell sind, daß sie einige Details der "Umgebung", in der sie leben, maskieren.

"Diese Probleme könnten ohne das Hubble-Teleskop nicht gelöst werden, sagte Disney. "Vor 20 Jahren gab ich es auf, Quasare zu studieren, weil mir gewahr wurde, daß wir auf ein Weltraum-Teleskop warten mußten, damit wir eine Sicht zur Verfügung stellen können, die klar genug ist, um Mysterien zu lösen.

Beobachtungen durch das Europäische Team, das die Wide-Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) des Teleskops im hochauflösendem Modus verwendete, enthüllte, daß es scheint, als ob Quasare in Umgebungen geboren worden seien, in denen zwei Galaxien in brutalen Wechselwirkungen stehen und höchstwahrscheinlich zusammenstoßen. "Diese sind ausreichend für einen Mechanismus, der einen Quasar entzünden könnte, aber nicht einer wußte vor Hubble, ob die Idee wirklich richtig ist,", sagte Peter Boys vom Europäischen Team.

"In nahezu jedem Quasar, den wir ansehen, sehen wir deutlich, wie eine Galaxie die andere schluckt," sagte Disney. Er wählte drei Quasare aus, die als starke infrarote Strahler bekannt sind - in der Annahme, daß sie in Spiral-Galaxien sein könnten, die typischerweise einen enormen Betrag an Staub und Gas enthalten. "Wenn wir sie mit Hubble abbilden, dann sehen wir die kolossalsten Unfälle, bei dem zwei gigantische Spiral-Galaxien wie unsere eigene Milchstraße frontal ineinander crashen. Dabei werden Fragmente brutal in alle Richtungen geschleudert. Einige dieser Fragmente scheinen im Kern einer der Spiralen, in denen es aller Wahrscheinlichkeit nach zwei gigantische schwarze Löcher gibt, die es ernähren, gelandet zu sein."

Bahcall, Schneider und Sofia Kirkakos benutzten ebenfalls das WFPC2, jedoch im Weitwinkel-Modus, um 20 Quasare zu vermessen. Bahcall findet ungefähr die Hälfte der Quasare, die studiert wurden und die Gastgeber-Galaxien haben, die ungestört aussähen. "Entweder sind die aufeinander einwirkenden Begleiter sehr nahe beim Kern und somit unterhalb der Auflösungsgrenze des HST, oder aber andere Mechanismen sind an der Arbeit, die Quasare zu entzünden."

Beide Teams stimmen darin überein, daß die Hubble Bilder folgendes eindeutig zeigen:

· Die meisten Quasare liegen an den Ecken von leuchtenden Galaxien, sowohl von spiralförmigen als auch von elliptischen. Obwohl tieferliegende Galaxien aufgrund von bodenstationierten Quasarbeobachtungen angenommen worden waren, mußten die Astronomen auf Hubbles Fähigkeiten warten, die Gastgeber-Galaxien klar genug für Astronomen zu zeigen, um damit beginnen zu können, ihre Formen zu klassifizieren.

· Wechselwirkungen zwischen Galaxien, eine durch direkte Kollisionen oder nahe Begegnungen , können wichtig sein bezüglich des "Einschalten eines Quasares" durch Abladen von Kraftstoff auf ein Schwarzes Loch. Jedoch sehen einige Quasare nicht zerstört aus, also könnte es auch andere, subtilere, Mechanismen geben, um das Schwarze Loch zu speisen. "Einige der Galaxien, die wir beobachteten, scheinen nicht zu wissen, daß sie einen Quasar in ihrem Kern haben," sagte Bahcall. "Dies könnte ein sehr wichtiger Hinweis sein, da es ein vollkommen unerwartetes Ergebnis war."

· Quasare, die "radio-still" sind, befinden sich oft in elliptischen Galaxien, nicht immer in Spiralgalaxien, wie dies zuvor geglaubt worden war.

Weitere Quasar-Forschungen werden aufgrund der großen Distanz und der langen Zeitspannen, die dabei eine Rolle spielen, eine Herausforderung sein "Es ist, als hätten wir ein paar reglose Schnapp-Schüsse eines Football-Spiels und versuchten, beides zu entziffern, die Regeln und die Endpunkte. Es ist eine große Herausforderung und ein großer Spaß, aber Du bist augenscheinlich offen, um die dramatischsten Fehler zu machen. Wir werden sie am Ende erhalten, aber wir könnten eine Menge von Hubble-Bildern benötigen, um sicher zu wissen, was vorgeht", sagte Disney."

Jetzt, wo mehr bekannt ist über die Umgebung, in der Quasare existieren, betonen die Teams, daß die Astronomen noch größere Puzzles zu lösen haben. Leuchten Quasare für eine kurze Periode im Leben einer Galaxie (100 Mio. Jahre oder weniger)? Wenn dem so ist, dann könnten die meisten Galaxien einschließlich unserer Milchstraße "ausgebrannte" Quasare sein. Falls - alternativ dazu - Quasare langlebige Objekte sind, dann impliziert dies, daß sie eher selten sind. "Dies würde bedeuten, daß sich einige extrem massiven Schwarze Löcher sehr früh im Universum gebildet haben", sagte Disney.

Astronomen müssen ebenfalls ein "Huhn-und Ei"-Problem lösen bezüglich der Quasare. Wurden die massiven Schwarzen Löcher zuerst ausgebildet? Oder gehen Galaxien Schwarzen Löchern voran, die trotz stellarer Kollision und Fusion in ihrem Kern schnell wachsen?

Fortgeschrittene Instrumente, die für Hubble geplant sind, sollten auch helfen, mehr Details festzumachen. Die Near Infrarot-Kamera und das Multi-Object-Spectrometer (NICMOS), die ihm Jahre 1999 installiert werden soll, wird korona-graphische Geräte haben, die den grellen Schein des Quasares nicht durchlassen, es aber dadurch den Astronomen erlauben, nahe zum Kern der Galaxie hin zu sehen. Beim Beobachten galaktischer Strukturen in infrarotem Licht sollte das NICMOS in der Lage sein, wichtige neue Details bezüglich der Gastgeber-Galaxien der Quasare zur Verfügung zu stellen.

Die nachfolgend beschriebenen Bilder und den englischsprachigen Orginal-Pressetext finden Sie hier.

Beschreibung des Bildes STsCI-PRC 96-35a, veröffentlicht am 19. November 1996:
 

Eine Vermessung der Gastgeber-Galaxie der Quasare
 

Quasare sind in einer Vielzahl von Galaxien beheimatet, von normalen bis hochbeschädigten. Als sie durch bodenstationierte Teleskope gesehen wurden, erinnerten diese kompakten, rätselhaften Lichtquellen an Sterne, doch sind sie Milliarden von Lichtjahren entfernt, und sie sind etliche hundert Milliarden mal heller als gewöhnliche Sterne. Die folgenden Hubble-Space-Teleskop-Bilder zeigen Beispiele von verschiedenen Heimstätten aller Quasare. Aber all diese Orte müssen den Kraftstoff zur Verfügung stellen, um diese einzigartigen Lichtfeuer anzutreiben. Astronomen glauben, daß ein Quasar aufdreht, wenn ein massives Schwarzes Loch im Kern einer Galaxie Gase und Sterne schluckt. Wenn die Materie sich in ein Schwarzes Loch hineinbewegt, wird intensive Strahlung ausgesandt. Eventuell wird das Schwarze Licht mit dem Aussenden von Strahlung aufhören, wenn es alle nahe Materie vernichtet hat. Dann benötigt es Trümmer aus einer Kollision von Galaxien oder einem anderen Prozeß, um mehr Kraftstoff zur Verfügung zu stellen. Die Bildsäule links stellt normale Galaxien das, das Zentrum kollidierende Galaxien und die rechte eigenartige Galaxien.

Links oben: Dieses Bild zeigt den Quasar PG 0052+251 im Kern einer normalen Spiral-Galaxie, die1.4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Astronomen sind überrascht, Gastgeber-Galaxien wie diese zu finden, die trotz der starken Quasar-Strahlung unbeschädigt erscheinen.

Unten links: Quasar PHL 909 ist 1.5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und liegt im Kern einer anscheinend normalen elliptischen Galaxie.

Oben Mitte: Die Fotos enthüllen den Beweis einer Katastrophe zwischen zwei Galaxien, die ungefähr mit einer Geschwindigkeit von 1 Million mph wandern. Die Trümmer aus dieser Kollision könnten den Quasar IRASO405-2958 antreiben, der drei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Astronomen glauben, daß eine Galaxie vertikal durch die Ebene einer Spiral-Galaxie tauchte, deren Kern herausriß und den Spiral-Ring verließ (am Boden des Bildes). Der Kern liegt vorne am Quasar, das helle Objekt im Zentrum des Bildes. Um den Kern herum sind sternförmige Regionen. Die Distanz zwischen den Quasaren und dem Spiralring beträgt 15.000 Lichtjahre, das ist 1/7 vom Milchstraßen-Durchmesser. Ein vordergründiger Stern liegt genau oberhalb des Quasares.

Unten Mitte: Hubble hat den Quasar PG 1012+008 eingefangen, der 1.6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt beheimatet ist, er trifft mit einer hellen Galaxie zusammen (das Objekt genau unterhalb des Quasars). Die beiden Objekte sind 31.000 Lichtjahre auseinander. Die wirbelnden Staubfetzen und das Gas, die den Quasar umrunde, und die Galaxie stellen deutliche Beweise für eine Interaktion zwischen ihnen zur Verfügung. Die kompakte Galaxie links vom Quasar könnte auch damit beginnen, sich mit dem Quasar zu vermengen.

Oben rechts: Hubble hat einen Flutwellen-Schweif aus Staub und Gas beim Quasar 0316-346 eingefangen, der 2.2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt beheimatet ist. Der eigenartig geformte Schweif legt nahe, daß die Gastgeber-Galaxie mit einer vorbeiziehenden Galaxie in Wechselwirkung gestanden hat, die allerdings nicht auf dem Bild erscheint.

Unten rechts: Hubble hat Beweise für einen Tanz zwischen zwei sich vermischenden Galaxien eingefangen. Die Galaxien könnten einander vor dem Vermischen viele Male umkreist haben, wobei sie deutliche Schlaufen von leuchtendem Gas rund um den Quasar IRAS13218+0552 hinterlassen haben. Der Quasar ist zwei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Der verlängerte Kern im Zentrum könnte aus zwei Nuklei der sich vermischenden Galaxien bestehen.

Herausgeber: John Bahcall (Institute for Advanced Study, Princeton); Mike Disney (University of Wales) und NASA.
 

Beschreibung des Bildes STsCI-PRC 96-35b, veröffentlicht am 19. November 1996
 

Die Untersuchung einer Quasar-Heimstätte
 

Bilder, die durch das Hubble-Teleskop aufgenommen worden waren, haben es den Astronomen möglich gemacht, klar die Verbindung zwischen Quasaren und deren begleitenden Galaxien zu sehen. Einige Galaxien, solche wie die eine in diesem Zwei-Tafel-Bild, sind während der Aktion des Vermischens oder des Kollidierens mit ihren begleitenden Galaxien aufgenommen worden.

Das Bild links enthüllt die gewaltigen dünnen Flutwellen-Arme einer Galaxie - verbunden mit dem leuchtenden Quasar - die 1.5 Milliarden Licht-Jahre von der Erde entfernt ist. Die sonderbar geformten Arme legen eine Begegnung zwischen dem Quasar und einer Begleit-Galaxie nahe. Die dicken hellen Linien oberhalb vom Quasar stellen eine Galaxie mit der Kante nach vorne im Hintergrund dar.

In der rechts abgebildeten Tafel wird das gleiche Bild als eine differente Kontrast-Ebene gezeigt, das es den Astronomen möglich macht, näher in den Kern der Galaxie zu blicken. Lediglich 11.000 Lichtjahre trennen den Quasar von der Begleit-Galaxie (beheimatet genau oberhalb des Quasars). Diese Galaxie ist in Größe und Helligkeit ähnlich der Großen Magellan’ schen Wolke nahe unserer Milchstraße. Der Quasar und die Galaxie sind durch starke Anziehungskräfte zusammengezogen. Eventuell wird die Galaxie in die Maschinerie des Quasars, nämlich in das Schwarze Loch, fallen,. Von den Schwarzen Löchern wird angenommen, daß sie die kompakten energetischen Quasare antreiben. Das Schwarze Loch wird diese Begleitgalaxie in nicht mehr als 10 Mio. Jahren schlucken.

Der Quasar in diesen Bildern erscheint groß, aber tatsächlich ist er eine kompakte, gerade zu kraftvolle Lichtquelle. Der Quasar ist so hell, daß er Beugungs-Spitzen auf diesen Teleskop-Bildern erzeugt. Die Bilder wurden mit der Wide-Field and Planetary Camera 2 aufgenommen.

Herausgeber: John Bahcall (Institute for Advanced Study, Princeton) und NASA


Neues von den Schwarzen Löchern

* von Roland M. Horn

"Laut Hubble sind massive Schwarze Löcher in den meisten Galaxien beheimatet", meldet die PRESS Release Nr. STScI-PR97-02

Während es die Entdeckung von drei schwarzen Löchern in drei normalen Galaxien bekannt gab, schloß ein internationales Astronomen-Team, daß nahezu alle Galaxien supermassive Schwarze Löcher beherbergen könnten, die einst Quasare (extrem lichtstarke Galaxie-Kerne) angetrieben hätten, die aber nun ruhig sind.

Dieser Schluß basiert auf eine Schätzung von 27 nahe beheimateten Galaxien, die durch das Hubble Space Teleskop der NASA und bodenstationierten Teleskopen in Hawaii durchgeführt wurde, das verwendet wurde, um eine spektroskopische und photometrische Vermessung von Galaxien um Schwarze Löcher zu finden, die die Masse von Millionen von sonnenähnlichen Sternen verzehrt haben.

Die Befunde, die auf dem 189sten Treffen der American Astronomical Society im Januar (1997) in Toronto zusammengestellt wurden, sollen Einsichten in die Ursprünge und Entwicklung von Galaxien bieten und die Rolle von Quasaren in der Entwicklung von Galaxien klären.

Die Schlüsselbefunde sind:

· Supermassive Schwarze Löcher sind allgemein, nahezu jede große Galaxie hat eines.

· Die Masse eines Schwarzen Loches verhält sich proportional zu der Masse der Gastgebergalaxie, so daß beispielsweise eine Galaxie, die doppelt so massiv ist wie eine andere, ein Schwarzes Loch hätte, das ebenfalls doppelt so massiv ist. Hieraus folgt, daß das Wachstums des Schwarzen Loches auf die Bildung der Galaxie, in der sie beheimatet ist, hinweist.

· Die Zahlen und Massen der Schwarzen Löcher, die gefunden wurden, befinden sich in Übereinstimmung mit dem, was wir als notwendig für die Entstehung der Quasare vermuten.

"Wir glauben, daß wir auf 'fossilierte Quasare’ blicken und daß die meisten Galaxien zu irgendeiner Zeit so hell wie ein Quasar brannten," sagte der Teamleiter Doug Richstone von der University of  Michigan, Ann Arbor, Michigan. Diese Schlüsse stimmen mit vorherigen HST-Beobachtungen überein, die Quasare zeigen, die in einer Vielzahl von Galaxien wohnen, sowohl isolierte normal aussehenden Galaxien als auch kollidierende Paare.

Zwei der Schwarzen Löcher in den Kernen der Galaxien NGC 3379 (auch bekannt als M 105) und NGC 337, wurden auf 50 Mio. bzw. 100 Mio. Sonnenmassen geschätzt. Diese Galaxien befinden sich in der "Fährte des Löwen", eine nahe Gruppe von Galaxien, die etwa 32 Mio. Lichtjahre entfernt und ungefähr in der Richtung des Virgo-Haufens stehen.

50 Mio. Jahre entfernt im Virgo-Haufen beheimatet, besitzt NGC 4486 ein Schwarzes Loch mit der Masse von 500 Mio. Sonnen. Es ist ein kleiner Satellit der Galaxie M 87, einer sehr hellen Galaxie im Virgo-Haufen. M 87 hat einen aktiven Kern, und es ist bekannt, daß er ein schwarzes Loch von ungefähr zwei Milliarden Sonnenmassen hat.

Obwohl verschiedene Gruppen zuvor massive Schwarze Löcher, die in Galaxien wohnen, die so groß wie oder größer als unsere Milchstraße sind, gefunden haben, legen diese neuen Resultate nahe, daß kleine Galaxien weniger massive Schwarze Löcher haben, die unter Hubbles Auflösungsgrenze liegen. Die Übersicht zeigt, sich die Masse der Schwarzen Löcher proportional zu der Gastgebergalaxie verhalten. Wie Schuhgrößen bei Erwachsen sind die größeren die Galaxie, die umfassenden die Schwarzen Löcher.

Es bleibt ein herausforderndes Puzzle, warum Schwarze Löcher so im Überfluß vorhanden sind oder warum sie sich proportional zur Masse einer Galaxie verhalten. Eine Idee, die sich auf frühere Hubble-Beobachtungen stützt, ist die, daß Galaxien von kleinereren "Bausteinen" - bestehend aus Sternhaufen -g ebildet wurden. Ein massives "besätes" "Schwarzes Loch könnte in jeder dieser Protogalaxien vorhanden gewesen sein. Die größere Anzahl von Bausteinen, die zum Zusammenkommen und zum Formieren von lichtstarken Galaxien gebraucht werden, würden natürlich mehr "besäte" Schwarze Löcher zur Verfügung gestellt haben, um sie zu einem einzelnen massiven Schwarzen Loch, das im Kern einer Galaxie wohnt, zu werden, zu vereinigen.

Ein alternatives Modell ist, daß Galaxien in irgendeiner früheren Episode mit einem bescheidenen Schwarzem Loch begannen (das nicht notwendigerweise die Masse erreicht, die hier diskutiert wird), aber daß das Schwarze Loch einige bestimmte Bruchstücke des kompletten Gases, das durch die Sterne während ihrer normalen Entwicklung zurückgelasssen worden waren, konsumierte. Falls die Bruchstücke um die 1% betragen, könnte das Schwarze Loch gerade mal soviel gewogen haben, wie dies jetzt der Fall ist und würde natürlich die Spur der gegenwärtigen Helligkeit der Galaxie verfolgen.

Drei kritische zu sehende Beobachtungen vom Boden aus, die die Kandidaten identifizierten sollten, wurden durch John Kormeny mit dem kanadisch-französischen-hawaiianischen Teleskop (CFHT) auf Mauna Kea, Hawaii, gemacht. Die Entdeckung des Schwarzen Loches NGC 4486b basierte ebenso auf ein CFHT-Spektrum.

Hubbles hohe Auflösung erlaubte dann dem Team, mit einer außerordentlichen Auflösung - die für bodenstationierte Teleskope unerreichbar ist - tief in den Kern der Galaxien zu schielen,und Geschwindigkeiten von Sternen zu messen, die das Schwarze Loch umkreisen. Ein scharfer Anstieg der Geschwindigkeit bedeutet, daß eine große Menge von Materie im Kern der Galaxie eingeschlossen ist, wobei sie ein kraftvolles Schwerkraftfeld bildet, das nahe Sterne beschleunigt.

Das Team ist überzeugt, daß es ihre statistische Suchtechnik möglich macht, all die Schwarzen Löcher, die sie zu sehen erwarten, mit einer sicheren Massengrenze zu bestimmen. "Unser Ergebnis wird jedoch durch die Tatsache, daß die Beobachtungsdaten für die Galaxien nicht von gleicher Qualität sind, und daß die Galaxien sich in verschiedenen Entfernungen befinden, verkompliziert," sagte Richstone.

Eine der Features der Servicemission vom Februar 1997 war die Installation des Space Telescope Imagines Spectograph (STIS). Durch diesen Spektographen wird die Effizienz von Projekten stark anwachsen, wie beispielsweise auch die Schwarze-Löcher-Schätzung die Spektren von verschiedenen nahegelegenen Positionen in einem einfachen Orbit erfordert. Diese Gruppe wird mit dieser Schätzung mit dem erneuerten Teleskop fortfahren.

Die Teammitglieder sind Douglas Richstone (Teamleiter), Karl Gebhard (University of Michigan), Scott Tremaine und John Magorrian (University of Toronto, Canadian Institute for Advanced Research, John Kormendy (University of Hawaii), Tod Lauer (National Optical Astronomy Observatories), Alan Dressler (Carnegie Observatories), Sandra Faber (University of California), Ralf Bender (Ludwig Maximilian University, Munich), Ed Ajhar (National Optical Astronomy Observatories), and Carl Grillmair (Jet Propulsion Laboratory).

Zu den Bildern "Massive Black Holes in den Galaxien BGC 3377, NGC 3379 und NGC 4486:

Von den drei Galaxien oben wird geglaubt, daß sie zentrale supermassive Schwarze Löcher enthalten. Die Galaxie NGC 4486B (weiter links) zeigt einen doppelten Kern (weiter rechts).

Die Bilder von NGC 3377 und NGC 4486B sind 2.7 Bogensekunden auf der Seite, und für NGC 337999 beträgt die Größe 56,4 Bogensekunden, das Bild weiter rechts zeigt ein Aufblasen der zentralen 0,5 Bogensekunden von NGC 4486B.

Herausgeber: Karl Gebhard (University of Michigan und Tod Lauer , NOAO)


Und wieder Schwarze Löcher

* von Roland M. Horn

In einer weiteren Pressemitteilung  - STScI-PR-97-28  - wurde  vermeldet:

Bei einer Untersuchung des Herzens der aktiven Galaxie NGC 6251 bot das Hubble Space Telescope einen noch nie dagewesenen Blick auf eine gekrümmte Scheibe bzw. einen Staubring, der in einem lodernden Strom aus ultraviolettem Licht gefangen war.

Diese Entdeckung, die in den Astrophysical Journal Letters in der Ausgabe vom 10. September (1997) veröffentlicht wurde, legt nahe, daß die Umgebungen von Schwarzen Löchern verschiedener sein könnten, als dies bislang angenommen wurde und könnte ein neues Bindeglied in der Entwicklung von Schwarzen Löchern in der Galaxien darstellen.

"Dies ist ein komplett neues Phänomen, das nie zuvor gesehen wurde. Es raubte mir den Verstand," sagte Dr. Philippe Crane vom European Southern Observatory, in Garching, Deutschland. "Vor Hubble konnten wir diese Art von Untersuchungen gar nicht anstellen. Wir brauchten eine kleine Heldentat von Hubble: seine extreme hochauflösende Abbildungsqualität im Nahen Ultravioletten, die von der Faint Object Camera (FOC/Lichtschwache-Objekte-Kamera) zur Verfügung gestellt wurde, die durch die European Space Agency eingebaut worden war.

Vorher hatten sich Schwarze Löcher, die durch Hubble entdeckt worden waren, zum größten Teil der Sicht entzogen, weil sie innerhalb eines Wulstes eingelassen waren - einer "donutförmigen" Staubausschüttung, die einen Teil-Kokoon um das Schwarze Loch bildeten.

In Galaxien, die vorher studiert worden waren, scheint das intensive Licht aus superheißem Gas, das durch das kräftige Schwerkraftfeld des Schwarzen Loches eingefangen wurde, aus der Innenseite des "Donut-Loches" des Wulstes heraus und ist - wie ein Suchlicht - auf eine geringe Breite begrenzt.

Dies ist jedoch das erste klare Beispiel für ein "ungeschütztes" Schwarzes Loch, das die es umgebende Scheibe erleuchtet. Da Hubble ultraviolettes Licht sieht, das auf einer Seite der Scheibe reflektiert wird, schlossen die Astronomen, daß die Scheibe wie eine Hutkrempe gekrümmt sein müsse.

Eine solche Krümmung könnte durch eine schwerkraftmäßige Beschleunigung im Kern der Galaxie, der die Scheibe daran hindert, perfekt flach zu sein, oder aufgrund der Präzession der Rotationsachse des Schwarzen Loches relativ zur Rotationsachse der Galaxie ,verursacht sein.

Die angenommene Masse des Schwarzen Loches wurde durch Geschwindigkeitsmessungen von eingefangenem Material noch nicht bestätigt, obwohl gerade unveröffentlichte Hubble-Messungen mit dem Faint-Object-Spectrograph (FOS) durchgeführt wurden, bevor dieser während der 1997er-Servicemission ersetzt wurde.

Die starken detaillierten Beweise für das Schwarze Loch jedoch werden durch die kraftvollen drei Millionen Lichtjahre lange Jets aus dem Ort des Loches im Mittelpunkt der elliptischen Galaxie erbracht. Die Galaxie ist 300 Mio. Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau beheimatet.

Hubbles Empfindlichkeit gegenüber ultraviolettem Licht kombiniert mit der außergewöhnlichen Auflösung der FOC, die Details sehen kann, die so klein sind wie 50 Lichtjahre im Durchmesser, erlauben es Crane und seinem Team Strukturen in dem heißen Gas neben dem Schwarzen Loch an der Basis des Jets anzusehen. Crane war überrascht, eine fingerartige Ausbuchtung des Kernes zu sehen, die sich im rechten Winkel zum Hauptjet befindet.

Als er das FOC-Bild mit einem Bild, das mit Hubbles Wide Field and Planetary Camera 2 (WPFC2) verglich, bemerkte Crane, daß die fingerartige Ausbuchtung parallel zu einer 1000 Lichtjahr-weiten Staubscheibe, die den Kern umkreist, verläuft. Er schloß, daß das ultraviolette Licht von feinen Staubpartikeln in der Scheibe oder möglicherweise aus der Rückwand eines Ringes reflektiert werden müsse. Eine ringartige Struktur wäre durch einen Strahlungsstrom, der aus dem ungeschützten Schwarzen Loch, das aus einem Hohlraum um das Loch herum gesteckt ist, geformt worden.

Die Hubble-Astronomen hoffen, Ideen bezüglich der Ausbreitung durch das Betrachten des Spektrums der Scheibe mit den bodenstationierten Teleskopen bestätigen zu können. Sie werden vorschlagen, Hubble zu benutzen, um unterschiedliche andere außergalaktische Jetquellen, die Staub enthalten, anzusehen.

Co-Investigator: Joel Vernet (European Southern Observatory)

Die nachfolgend beschriebenen Bilder finden Sie hier.

Beschreibung des Bildes STScI-PR97-28a:

Hubble findet ein nacktes Schwarzes Loch, das Licht ausstrahlt

NASAs Hubble Space Telescope hat einen noch nie dagewesenen Anblick auf eine gekrümmte Scheibe, die mit einem Strom aus ultraviolettem Licht aus heißem Gas, das um ein vermutetes Schwarzes Loch kreist, geflutet ist, geboten.

<rechts>

Dieses Komposit-Bild vom Kern einer Galaxie wurde durch das Kombinieren eins Bildes aus sichtbarem Licht, das mit der Hubble Wide Field and Planetary Camera (WFPC2) aufgenommen worden war und einem separatem Bild, das in ultraviolettem Licht mit der Faint Object Camera (FOC) aufgenommen worden war, erstellt. Während das sichtbare Licht eine dunkle Staubscheibe zeigt, zeigt das Ultraviolett-Bild ein helles Feature entlang einer Seite der Disk. Da Hubble ultraviolettes Licht sieht, das von einer Seite dieser Disk reflektiert wird, schließen Astronomen, daß die Scheibe wie eine Hutkrempe gekrümmt sein müsse. Der helle weiße Fleck im Zentrum des Bildes ist Licht aus der Umgebung des Schwarzen Loches, das die Scheibe einhüllt.

<links>

Eine von bodenstationierten Teleskopen gewonnene Ansicht des Kerns der elliptischen Galaxie NGC 6251. Der eingesetzte Kasten zeigt das HST-Feld der Ansicht. Die Galaxie ist 300 Mio. Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau beheimatet.

Zum Bild STScI-PRC 97-28c:

Gekrümmte Scheibe um ein helles Schwarzes Loch (ARTWORK)

Dieses Diagramm zeigt die Geometrie einer gekrümmten Staubscheibe, die das vermutete Schwarze Loch in der aktiven Galaxie NGC 6251 umgibt. Das Diagramm basiert auf Bilder des HST der NASA von einer Scheibe, die zeigt, daß nur eine Seite Licht reflektiert, das von einem Schwarzen Loch ausgestrahlt wird - folglich ist die Scheibe gekrümmt.

Eine solche Krümmung könnte in der schwerkraftmäßigen Unruhe im Kern der Galaxie, die die Scheibe daran hindert, perfekt flach zu sein oder von der Präzession der relativ zur Rotationsachse des Kerns rotierenden Achse, verursacht sein.

Senkrecht zur Scheibe befindet sich ein Jet aus hochenergetischen Teilchen, die entlang den Drehachsen des Schwarzen Lochs in den Weltraum hinausschießen.

Illustration: James Gitlin (Space Telescope Science Institut)


Hubble entdeckt Staub-Wolken um ein massives Schwarzes Loch

An eine gigantische Radkappe im Weltraum, erinnert eine Staubscheibe mit einem Durchmesser von 3700 Lichjahren, die ein Schwarzes Loch mit 300-millionenfacher Sonnenmasse umgibt.

Die Scheibe - möglicherweise ein Überrest aus einer Galaxien-Kollision - wird in einigen Milliarden Jahren vom Schwarzen Loch verschlungen werden.

Weil die Vorderseite der Scheibe mehr Sterne verfinstert als die Rückseite, erscheint sie dunkler. Auch - weil Staub blaues Licht mit größerer Effektivität schluckt als rotes - erscheint die Disk rötlicher als der Rest der Galaxie (das gleiche Phänomen ist die Ursache dafür, daß daß die Sonne rot erscheint, wenn sie an einem nebligen Nachmittag untergeht).

Die Tatsache, daß die Jets in NGC 7052 nicht senkrecht zur Scheibe stehen, könnte darauf hindeuten, daß das Schwarze Loch und die Staub-Scheibe in NGC 7052 keinen gemeinsamen Urprung haben. Eine Möglichkeit ist, daß der Staub von einer Kollision mit der schnellen Nachbargalaxie erworben wurde, nach dem das Schwarze Loch bereits ausgebildet war.

NGC 7052 ist im Sternbild Vulpecula beheimatet, das 191 Lj. von der Erde enfernt ist.

Herausgeber: Roeland P. van der Marcel (STScI), Frank C. van den Bosch (Univ. of Washington) und die NASA.

Den englischsprachigen Orginaltext und das zugehörige Bildmaterial können Sie hier einsehen.



(Übertragung ins Deutsche durch R. M. Horn)

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