Hinterhältige Quasare - 700 Millionen Jahre nach dem Urknall wurde in Quasaren ungeheure Menge von Sternen generiert - viele von ihnen waren und sind Futter für supermassive Schwarze Löcher

von Dr.Harald Zaun, 05/2003

Quasare müssen um ihren schlechten Ruf nicht bangen. Wenn das stimmen sollte, was jüngst ein internationales Radioastronomen-Team in der Fachzeitschrift "Science" (Science Express, 3. April 2003) berichtet, dann gewähren Quasare nicht nur supermassiven Schwarzen Löchern einen Unterschlupf, sondern sorgen zugleich dafür, dass deren Nahrungsquelle nicht versiegt - "heute" wie damals. Wie die Forscher jetzt feststellten, entstand just in der Frühzeit der Quasare - 700 Millionen Jahre nach dem Urknall - eine ungeheure Menge an neuen Sternen. Darauf deutet eine Unmenge von Staub hin, die das Astronomenteam in zwei weit entfernten Quasaren fand. Vor 10 Jahren wäre die Spekulation, dass derart gewaltige Mengen an Staub und schweren Elementen bereits so "kurz" nach dem Urknall in den ersten uns sichtbaren Galaxien existierten, noch undenkbar gewesen.

Schwarze Löcher haben sich in verschiedenen Größenklassen und Varianten im Weltall eingenistet. Mal treten sie als normale stellare Bestien von nur wenigen Kilometern Durchmesser in Erscheinung, die einem Muttergestirn entstammen, das nur einige Male schwerer ist als unsere Sonne. Ein anderes Mal präsentieren sie sich als mittelschwere gefräßige Energiemonster, die 10.000 bis 100.000 Massen unserer Sonne aufweisen oder gar als supermassive Ungeheuer, die rund eine Million bis zu einer Milliarde Sonnenmassen haben können, wozu auch das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße zählen dürfte.

Schwarzes Gewand

Wenngleich diese in punkto 'Masse' stark voneinander differieren, so weisen sie doch unverwechselbare Charakteristika auf, die ihr "Dasein" entscheidend prägen. In erster Linie macht ihre extreme Kompaktheit, ihre enorme Dichte den Unterschied. In dieser Hinsicht kann kein anderes bis dato bekanntes Gebilde im Universum Schwarzen Löchern das Wasser reichen. Und kein anderes kosmisches Objekt absorbiert jegliche Form von Materie und Energie so gründlich und so gierig.

Signifikant für Schwarze Löcher ist aber auch das schwarze Gewand, das sie tragen. Während deren verräterische Spuren im optischen Licht bestenfalls als dunkle Schattierungen mit Mühe auszumachen sind, offenbaren sie sich hingegen im Röntgen- und Gammabereich um so deutlicher. Just aus diesen informationsreichen Strahlenemissionen konnten die Astrophysiker bislang ablesen, dass für die immense Leuchtkraft dieser galaxiengroßen riesigen Gebilde am Rande des Universums driftenden Welteninseln nur Schwarze Löcher "verantwortlich" sein können, die selbst im Zentrum der Quasare hausen.

Da quasistellare (sternähnliche) Objekte sehr aktive in der Frühzeit kreierte extragalaktische Sternsysteme mit ausgesprochen strahlungsintensiven Kernen sind, überstrahlen sie im sichtbaren Spektralbereich das stellare Restsystem glattweg. Ihre Helligkeit kann Billiarden mal heller sein als die der Sonne. Dass Quasare eine ungeheure Mengen an Energie abstrahlen und dabei wie ein kosmisches Leuchtfeuer hell aufleuchten, ist auf die in ihren Zentren eingebetteten supermassiven und unersättlichen Schwarzen Löcher zurückzuführen, die beim Verspeisen der Materie für gewöhnlich intensive Röntgenstrahlung abgeben.

Gravitationslinse verschaffte Ein- und Durchblick

A Quasar Portrait Gallery
Credit J. Bahcall (IAS, Princeton), M. Disney (Univ. Wales), NASA

Während sie im sichtbaren "weißen Licht" sich allenfalls als hellen Punkt zu erkennen geben, können indes auch die Radioastronomen ein weitaus differenziertes Bild von Quasaren malen, emittieren doch derlei weit entfernte kosmische Materie-Oasen in der Regel enorm viel Radiostrahlung. Dass diese Strahlen sowohl energiereich als auch informationsreich sind, kam jüngst einem internationalen Radioastronomen-Team zugute, dem auch einige Mitarbeiter des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie unter Leitung von Frank Bertoldi angehörten.

Wie die Forscher in der Fachzeitschrift "Science" (Science Express, 3. April 2003) nunmehr berichten, konnten sie in zwei weit entfernten Quasaren - darunter war auch der bisher weit entfernteste katalogisierte Quasar SDSS J1148 und der Quasar PSS J2322 - große Mengen Staub nachweisen, also Material, aus dem sich neue Sterne bilden.

Beim Gravitationslinsen-Effekt handelt es sich in der beobachtenden Astronomie um ein mittlerweile kaum mehr wegzudenkendes Verfahren, das auf einem natürlichen Prinzip beruht. Liegen zwei Galaxien in Sichtlinie hintereinander, so dass die erste die dahinter liegende genau verdeckt, wirkt die erste als Gravitationslinse. Ihre Schwerkraft verzerrt das Licht der verdeckten Galaxie - und placiert dadurch ihr Abbild dergestalt, dass es daneben liegend erscheint. Der Beobachter sieht das Objekt mehrfach, weil die Lichtstrahlen unterschiedliche Wege nehmen. Befinden sich das Objekt, die Gravitationslinse und der Beobachter sogar exakt auf einer Linie, werden die Lichtstrahlen des hinteren Objekts zu einem perfekten Ring, einem Einstein-Ring, um die Galaxis abgelenkt.

Dank solcher Phantombilder können die Sterngucker nicht nur hinter kosmische Fassaden blicken, sondern auch Indizien für (beispielsweise) das Vorhandensein von unsichtbarer Materie (Dark Matter) finden. Die erste Gravitationslinse wurde in Jahre 1979 entdeckt, der erste Einstein-Ring 1987.

Bei dem Quasar PSS J2322 kam den Forschern aber der Zufall zu Hilfe: Eine bislang noch nicht identifizierte Gravitationslinse in der Sichtlinie zwischen der Erde und diesem extrem weit entfernten Objekt verstärkte und verzerrte dessen Strahlung zu einem "Einstein-Ring". In dem aktuellen Fall erhielten die Forscher dank der generierten kosmischen Lupe einen unerwartet detaillierten Einblick in die Gasverteilung im Zentrum des Quasars PSS J2322. Beide Beobachtungen belegen, dass bereits im frühen Universum, also etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall, ungeheure Mengen an Sternen entstanden sind. "Solche starken Gravitationslinsen sind äußerst selten," meint Chris Carilli vom National Radio Astronomical Observatory (NRAO), der die hochauflösenden Beobachtungen des Einsteinrings am Very Large Array in der Wüste Neu-Mexikos durchführte. "Schon nach den ersten Bolometer-Messungen mit dem 30-Meter-Teleskop von IRAM (Institut de RadioAstronomie Millimétrique), bei denen das Objekt ungewöhnlich hell erschien, hatten wir eine Gravitationslinse vor diesem Quasar vermutet.

Staubige Molekülwolken in Quasaren

The Einstein Cross Gravitational Lens
Credit & Copyright: J. Rhoads (STScI) et al., WIYN, AURA, NOAO, NSF

Da der Quasar sehr weit entfernt ist, kann die Verteilung des Gases nicht durch direkte Beobachtung bestimmt werden. Erst die bündelnde Gravitationskraft eines bislang noch nicht identifizierten Vorderobjektes erlaubte es den Forschern, im Fall des Quasars PSS J2322 die relative Position des Schwarzen Lochs und der umgebenden Gaswolken zu bestimmen. Befände sich das Gas sehr nahe am Schwarzen Loch, wäre die beobachtete Strahlung des warmen Staubs oder der Kohlenmonoxid-Moleküle ähnlich verteilt wie die optisch sichtbare Strahlung des kompakten Quasars: zwei punktförmige Objekte in einem Abstand von zirka 2 Bogensekunden, das entspricht einem Tausendstel des scheinbaren Monddurchmessers.

Bei alledem interessieren sich die Astrophysiker zudem besonders für die Wärmestrahlung der Quasare. "Die Wärmestrahlung ist ein starkes Indiz dafür, dass dort extrem viele Sterne entstehen. Die Messungen deuten darauf hin, dass die Sternentstehungsrate in Quasaren tausendmal höher ist als in normalen Galaxien wie unserer Milchstrasse" erläutert Frank Bertoldi, der die Beobachtung der Rekord-Quasare geleitet hat. Doch ein direkter Beweis für die Sternentstehung in den frühesten Epochen des Universums fehlte bisher. Tatsächlich aber verteilt sich die Wärmestrahlung durch die Ablenkung im Gravitationsfeld der Vordergrundgalaxie auf einen runden Ring. Aus der Größe und relativen Position des Rings und des optischen Abbildung des Quasars konnten die Wissenschaftler ableiten, dass Staub und Gas auf eine ausgedehnte und wahrscheinlich abgeflachte Scheibe mit einem Durchmesser von ca. 12.000 Lichtjahren verteilt sind. Hingegen konzentriert sich das Schwarze Loch mit seinem umgebenden heiß leuchtenden Gas auf eine Region von wenigen Lichttagen.

Krönung mehrjähriger Operation

Die Entdeckung des Einstein-Rings und der Staubemission in den entferntesten Quasaren ist die Krönung einer mehrjährigen Kooperation zwischen den Forschern aus Deutschland, Frankreich und den USA. Systematisch hat die Gruppe in den letzten vier Jahren mit der MAMBO-Kamera am 30-Meter-Teleskop von IRAM etwa 150 Quasare auf Wärmestrahlung untersucht. Auch die aktuellen Messungen wurden mit der IRAM-Antenne auf dem Pico Veleta bei Granada in Spanien mit dem am Max-Planck-Institut für Radioastronomie entwickelten hochempfindlichen Wärmesensor MAMBO (Max-Planck-Millimeter Bolometer) und am Very Large Array (VLA) in Socorro/New Mexico durchgeführt.

"Dass solch gewaltige Mengen an Staub und schweren Elementen schon so früh nach dem Urknall in den ersten uns sichtbaren Galaxien existiert haben, hätte vor 10 Jahren noch niemand vermutet," verdeutlicht Frank Bertoldi. "Die schweren Atome, aus denen der Staub und das Kohlenmonoxid-Gas bestehen, wurden durch Kernreaktionen im Inneren von Sternen erzeugt. In der ursprünglichen kosmischen Materie gab es nur Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium, aber weder Sauerstoff noch Kohlenstoff.

Nun aber scheine es sicher, so Bertoldi, dass die ersten massereichen Sterne am Ende ihres kurzen kosmischen Lebens mit gewaltigen Explosionen oder starken Winde viele schwere Atome in das umliegende Gas gemischt haben. Zwangsläufig gäbe es daher in diesen Gebieten bereits nach wenigen hundert Millionen Jahren ähnliche Anreicherungen von Kohlenmonoxid und Staub, wie wir sie heute, 13,6 Milliarden Jahre später, im interstellaren Gas benachbarter Galaxien noch immer vorfinden.

Weitere hervorragende Bilder betr. Quasare siehe: http://chandra.harvard.edu/photo/category/quasars.html

Links:
Frank Bertoldi: www.astro.uni-bonn.de/~bertoldi/index.html
National Radio Astronomical Observatory (NRAO): http://www.nrao.edu/
Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße: http://www.seds.org/messier/more/mw.html

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