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BLAZARE
Schwarze Löcher heizen das Universum
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien
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21. Mai 2012

Aktive supermassereiche Schwarze Löcher können ihre Umgebung offenbar in einem weitaus größeren Ausmaß beeinflussen als bislang angenommen. So fand ein internationales Forscherteam nun Hinweise dafür, dass die Gammastrahlung von Blazaren das diffuse Gas im Universum aufheizt. Dies könnte wichtige Folgen für die Entstehung von Galaxien haben und eventuell ein altes Rätsel der Galaxienbildung lösen helfen.

Aktiver Galaxienkern

Ein extrem massereiches Schwarzes Loch, das von einem Staubring umgeben ist. Der Einfall von Gas auf das schwarze Loch führt zu einem energiereichen Strahl aus Materie und Strahlung, einem Jet. Wenn dieser in unsere Richtung zeigt, spricht man von einem Blazar. Bild: ESA/NASA, das AVO Projekt und Paolo Padovani

Im Zentrum wohl jeder Galaxie befindet sich ein extrem massereiches Schwarzes Loch. Verschlingt dieses gerade große Mengen an Material, ist also "aktiv", heizt sich das Gas in seiner unmittelbaren Umgebung auf extreme Temperaturen auf. Dadurch entsteht eine intensive Strahlung und es können zudem enggebündelte Teilchenstrahlen, sogenannte Jets, ins All schießen. Diese aktiven Galaxienkerne sind oft so hell, dass sie die gesamte sie umgebende Galaxie überstrahlen - besonders wenn sie sehr weit von uns entfernt sind.

Je nachdem, aus welchem Winkel wir auf einen aktiven Galaxienkern blicken, sehen wir ein scheinbar anderes Objekt. Blickt man beispielsweise direkt in den enggebündelten Teilchenstrahl, kann der Galaxienkern besonders hell erscheinen. Man nennt solche Objekte dann Blazare. Sie senden auch hochenergetische Gammastrahlung aus. Während aber andere Strahlung - wie zum Beispiel sichtbares Licht oder Radiowellen - das Universum ohne Probleme durchquert, trifft dies auf energiereiche Gammastrahlung nicht zu. Diese Strahlung steht in Wechselwirkung mit dem optischen Licht, das die Galaxien aussenden, und wird in die Elementarteilchen Elektronen und Positronen umgewandelt.

Die Elementarteilchen bewegen sich anfänglich fast mit Lichtgeschwindigkeit, werden aber vom diffusen Gas im Universum abgebremst. Da jeder Bremsprozess aber Wärme erzeugt, heizt sich das umgebende Gas auf diese Weise extrem auf. Es wird im Durchschnitt zehnmal heißer als bislang angenommen - in den kosmischen Regionen mit einer geringeren Dichte als im Durchschnitt sollten es sogar hundert Mal mehr sein. "Blazare schreiben die thermische Geschichte des Universums um", fasst Dr. Christoph Pfrommer vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) die Theorie der Wissenschaftler zusammen.

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Um diese Idee zu überprüfen haben sich die Forscher die Spektren von anderen aktiven Galaxienkernen vorgenommen, nämlich die von weit entfernten Quasaren. In deren optischen Spektren sieht man eine Vielzahl von Linien, den sogenannten Linienwald. Der Wald entsteht bei Absorption von ultraviolettem Quasarlicht durch neutrale Wasserstoffatome in den frühen Entwicklungsphasen des Universums. Wenn das Gas hier aber nun heißer ist, dann sollten die schwächsten Linien verbreitert sein. Auf diese Weise lässt sich somit hervorragend die Temperatur im jungen Universum messen und damit quasi das Weltall in seiner Jugendzeit beobachten.

Die Wissenschaftler überprüften den neu postulierten Heizprozess nun erstmals mit Hilfe von detaillierten Computersimulationen der kosmologischen Entstehung von Strukturen. Überraschenderweise zeigten sich in den Simulationen die Linien gerade so verbreitert, dass sie mit der gemessenen Linienstatistik in den Quasarspektren genau übereinstimmen. "Damit können wir auf elegante Weise ein lange bestehendes Problem mit diesen Quasardaten lösen", stellt Dr. Ewald Puchwein fest, der die Simulationen auf dem Großrechner am HITS durchführte.

Doch diese neu entdeckte Heizquelle könnte noch weitere Konsequenzen haben: Der Linienwald in den Quasarspektren wird durch Dichteschwankungen im Universum hervorgerufen. Regionen mit einer vergleichsweise hohen Dichte sollten schließlich kollabieren und auf diese Weise Zwerggalaxien, Galaxien und Galaxienhaufen entstehen lassen. Wenn das diffuse Gas allerdings zu heiß ist, kann es nicht kollabieren. Die Entstehung von Zwerggalaxien könnte somit verzögert oder völlig unterdrückt werden.

Hier könnte nun der Schlüssel zur Lösung eines weiteren, bislang ungelösten Problems in der Theorie der Galaxienbildung liegen: Man hat nämlich in der Nähe unserer Milchstraße und in bestimmten anderen kosmischen Regionen wesentlich weniger Zwerggalaxien beobachtet, als es kosmologische Simulationen vorhersagen. "Besonders aufregend an dem neuen Prozess des Blazarheizens ist, dass dieser Effekt gleich mehrere Rätsel in der kosmologischen Strukturentstehung erklären kann," freut sich Prof. Volker Springel, Leiter der Forschergruppe am HITS.

Die Gruppe, die die Resultate in mehreren Beiträgen in den Fachzeitschriften Astrophysical Journal und Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht hat, plant nun, die Simulationsmodelle weiter zu verfeinern, um so die physikalische Natur der Blazare und ihre Auswirkungen auf das heutige Universum noch besser zu verstehen.

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siehe auch
WISE: Ein Himmel voller Blazare - 13. April 2012
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (1)
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (2)
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (3)
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (4)
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
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