Quasar
Ein Quasar (/ˈkweɪzɑːr/ KWAY-zar; auch bekannt als quasi-stellares Objekt, abgekürzt QSO) ist ein extrem leuchtender aktiver galaktischer Kern (AGN), der von einem supermassereichen Schwarzen Loch mit einer Masse von Millionen bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen angetrieben wird und von einer gasförmigen Akkretionsscheibe umgeben ist. Das Gas in der Scheibe, das in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, erwärmt sich durch Reibung und setzt Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung frei. Die Strahlungsenergie von Quasaren ist enorm; die stärksten Quasare haben eine Leuchtkraft, die die einer Galaxie wie der Milchstraße um ein Tausendfaches übersteigt. In der Regel werden Quasare als eine Unterklasse der allgemeineren Kategorie der AGN eingestuft. Die Rotverschiebungen von Quasaren sind kosmologischen Ursprungs. ⓘ
Der Begriff Quasar entstand als Kurzform von "quasi-stellare [sternähnliche] Radioquelle", da Quasare erstmals in den 1950er Jahren als Quellen von Radiowellenemissionen unbekannten physikalischen Ursprungs identifiziert wurden und auf fotografischen Bildern bei sichtbaren Wellenlängen wie schwache, sternähnliche Lichtpunkte aussahen. Hochauflösende Bilder von Quasaren, insbesondere vom Hubble-Weltraumteleskop, haben gezeigt, dass Quasare in den Zentren von Galaxien vorkommen und dass es sich bei einigen Wirtsgalaxien um stark wechselwirkende oder verschmelzende Galaxien handelt. Wie bei anderen AGN-Kategorien hängen die beobachteten Eigenschaften eines Quasars von vielen Faktoren ab, darunter die Masse des Schwarzen Lochs, die Geschwindigkeit der Gasakkretion, die Ausrichtung der Akkretionsscheibe relativ zum Beobachter, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Jets und der Grad der Verdunkelung durch Gas und Staub in der Wirtsgalaxie. ⓘ
Es wurden bereits mehr als eine Million Quasare gefunden, wobei der nächstgelegene bekannte Quasar etwa 600 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Der Rekord für den am weitesten entfernten bekannten Quasar ändert sich ständig. Im Jahr 2017 wurde der Quasar ULAS J1342+0928 bei der Rotverschiebung z = 7,54 entdeckt. Das Licht dieses Quasars mit einer Masse von 800 Millionen Sonnenmassen wurde ausgesandt, als das Universum erst 690 Millionen Jahre alt war. Im Jahr 2020 wurde der Quasar Pōniuāʻena aus einer Zeit entdeckt, die nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall liegt und eine geschätzte Masse hat, die 1,5 Milliarden Mal so groß ist wie die unserer Sonne. Anfang 2021 wurde der Quasar J0313-1806 mit einem Schwarzen Loch von 1,6 Milliarden Sonnenmassen bei z = 7,64, 670 Millionen Jahre nach dem Urknall, entdeckt. ⓘ
Untersuchungen zur Entdeckung von Quasaren haben gezeigt, dass Quasare in der fernen Vergangenheit häufiger anzutreffen waren; der Höhepunkt liegt etwa 10 Milliarden Jahre zurück. Konzentrationen von mehreren, durch die Schwerkraft angezogenen Quasaren werden als große Quasargruppen bezeichnet und bilden einige der größten bekannten Strukturen im Universum. ⓘ
 … und eine weitere Zeichnung aus wesentlich größerer Entfernung (hier SDSS J1106+1939) ⓘ |
Ein Quasar ist der aktive Kern einer Galaxie, der im sichtbaren Bereich des Lichts nahezu punktförmig erscheint (wie ein Stern) und sehr große Energiemengen in anderen Wellenlängenbereichen ausstrahlt. Der Name Quasar wurde vom englischen quasi-stellar radio source abgeleitet, was als „stern(en)artige …“ oder auch „stern(en)ähnliche Radioquelle“ übersetzt werden kann. ⓘ
Namensgebung
Der Begriff "Quasar" wurde erstmals in einem Artikel des Astrophysikers Hong-Yee Chiu im Mai 1964 in der Zeitschrift Physics Today verwendet, um bestimmte astronomisch rätselhafte Objekte zu beschreiben:
Bislang wird für diese Objekte die umständlich lange Bezeichnung "quasi-stellare Radioquellen" verwendet. Da die Natur dieser Objekte völlig unbekannt ist, ist es schwierig, eine kurze, angemessene Nomenklatur für sie zu erstellen, so dass ihre wesentlichen Eigenschaften aus ihrem Namen ersichtlich sind. Der Einfachheit halber wird in diesem Dokument die Kurzform "Quasar" verwendet. ⓘ
Geschichte der Beobachtung und Interpretation
Hintergrund
Zwischen 1917 und 1922 wurde durch die Arbeiten von Heber Curtis, Ernst Öpik und anderen klar, dass es sich bei einigen von Astronomen beobachteten Objekten ("Nebeln") in Wirklichkeit um weit entfernte Galaxien wie unsere eigene handelt. Als jedoch in den 1950er Jahren die Radioastronomie begann, entdeckten die Astronomen unter den Galaxien eine kleine Anzahl anomaler Objekte mit Eigenschaften, die sich nicht erklären ließen. ⓘ
Die Objekte emittierten große Mengen an Strahlung vieler Frequenzen, aber es konnte keine Quelle optisch lokalisiert werden, oder in einigen Fällen nur ein schwaches und punktförmiges Objekt, das einem entfernten Stern ähnelte. Auch die Spektrallinien dieser Objekte, die Aufschluss über die chemischen Elemente geben, aus denen das Objekt besteht, waren äußerst merkwürdig und ließen sich nicht erklären. Einige von ihnen änderten ihre Leuchtkraft sehr schnell im optischen Bereich und noch schneller im Röntgenbereich, was auf eine Obergrenze ihrer Größe hindeutet, vielleicht nicht größer als unser eigenes Sonnensystem. Dies setzt eine extrem hohe Leistungsdichte voraus. Es wurde heftig darüber diskutiert, was diese Objekte sein könnten. Sie wurden als "quasi-stellare [d. h. sternähnliche] Radioquellen" oder "quasi-stellare Objekte" (QSOs) bezeichnet, ein Name, der ihre unbekannte Natur widerspiegelt, und dieser wurde zu "Quasar" verkürzt. ⓘ
Frühe Beobachtungen (1960er Jahre und früher)
Die ersten Quasare (3C 48 und 3C 273) wurden in den späten 1950er Jahren als Radioquellen in All-Sky-Radiodurchmusterungen entdeckt. Sie wurden zunächst als Radioquellen ohne ein entsprechendes sichtbares Objekt registriert. Mit Hilfe von kleinen Teleskopen und dem Lovell-Teleskop als Interferometer wurde gezeigt, dass sie eine sehr geringe Winkelgröße haben. Bis 1960 wurden Hunderte dieser Objekte erfasst und im Dritten Cambridge-Katalog veröffentlicht, während die Astronomen den Himmel nach ihren optischen Gegenstücken absuchten. 1963 wurde von Allan Sandage und Thomas A. Matthews eine eindeutige Identifizierung der Radioquelle 3C 48 mit einem optischen Objekt veröffentlicht. Die Astronomen hatten an der Stelle der Radioquelle einen scheinbar schwachen blauen Stern entdeckt und sein Spektrum erhalten, das viele unbekannte breite Emissionslinien enthielt. Das anomale Spektrum ließ sich nicht deuten. ⓘ
Der britisch-australische Astronom John Bolton machte viele frühe Beobachtungen von Quasaren, einschließlich eines Durchbruchs im Jahr 1962. Für eine andere Radioquelle, 3C 273, wurden fünf Bedeckungen durch den Mond vorhergesagt. Messungen, die Cyril Hazard und John Bolton während einer der Bedeckungen mit dem Parkes-Radioteleskop durchführten, ermöglichten es Maarten Schmidt, ein sichtbares Gegenstück zu der Radioquelle zu finden und ein optisches Spektrum mit dem 5,1 m (200 Zoll) Hale-Teleskop auf dem Mount Palomar zu erhalten. Dieses Spektrum zeigte die gleichen seltsamen Emissionslinien. Schmidt konnte nachweisen, dass es sich dabei wahrscheinlich um die gewöhnlichen Spektrallinien von Wasserstoff handelte, die um 15,8 % rotverschoben waren, was damals eine hohe Rotverschiebung darstellte (es waren nur eine Handvoll viel schwächerer Galaxien mit höherer Rotverschiebung bekannt). Wenn dies auf die physikalische Bewegung des "Sterns" zurückzuführen war, dann entfernte sich 3C 273 mit einer enormen Geschwindigkeit, etwa 47000 km/s, was weit über die Geschwindigkeit aller bekannten Sterne hinausgeht und sich jeder offensichtlichen Erklärung entzieht. Auch die enormen Radioemissionen von 3C 273 ließen sich mit einer extremen Geschwindigkeit nicht erklären. Wenn die Rotverschiebung kosmologisch bedingt war (was inzwischen bekannt ist), bedeutete die große Entfernung, dass 3C 273 viel leuchtkräftiger war als jede andere Galaxie, aber viel kompakter. Außerdem war 3C 273 hell genug, um auf Archivfotos aus den 1900er Jahren erkannt zu werden; es wurde festgestellt, dass es auf jährlichen Zeitskalen variabel ist, was bedeutet, dass ein beträchtlicher Teil des Lichts von einer Region mit einer Größe von weniger als einem Lichtjahr ausgestrahlt wurde, was im Vergleich zu einer Galaxie winzig ist. ⓘ
Obwohl sie viele Fragen aufwarf, revolutionierte Schmidts Entdeckung schnell die Quasarbeobachtung. Das seltsame Spektrum von 3C 48 wurde von Schmidt, Greenstein und Oke schnell als um 37 % rotverschobenes Wasserstoff- und Magnesiumlicht identifiziert. Kurz darauf wurden zwei weitere Quasarspektren im Jahr 1964 und fünf weitere im Jahr 1965 ebenfalls als gewöhnliches, extrem rotverschobenes Licht bestätigt. Während die Beobachtungen und Rotverschiebungen selbst nicht angezweifelt wurden, war ihre korrekte Interpretation heftig umstritten, und Boltons Vorschlag, dass es sich bei der von Quasaren entdeckten Strahlung um gewöhnliche Spektrallinien von weit entfernten, stark rotverschobenen Quellen mit extremer Geschwindigkeit handelte, wurde damals nicht allgemein akzeptiert. ⓘ
Entwicklung des physikalischen Verständnisses (1960er Jahre)
Eine extreme Rotverschiebung könnte auf eine große Entfernung und Geschwindigkeit hindeuten, aber auch auf eine extreme Masse oder vielleicht auf andere unbekannte Naturgesetze. Eine extreme Geschwindigkeit und Entfernung würde auch eine enorme Leistungsabgabe implizieren, für die es keine Erklärung gab. Die geringe Größe wurde durch Interferometrie und durch die Beobachtung der Geschwindigkeit bestätigt, mit der der Quasar als Ganzes seine Leistung veränderte, und durch die Unfähigkeit, selbst in den stärksten Teleskopen für sichtbares Licht mehr als schwache sternförmige Lichtpunkte zu sehen. Wären sie jedoch klein und weit entfernt im Weltraum, müsste ihre Leistung immens und schwer zu erklären sein. Wären sie dagegen sehr klein und viel näher an unserer Galaxie, wäre es einfach, ihre scheinbare Leistung zu erklären, aber weniger einfach, ihre Rotverschiebung und das Fehlen einer erkennbaren Bewegung vor dem Hintergrund des Universums zu erklären. ⓘ
Schmidt merkte an, dass die Rotverschiebung auch mit der Ausdehnung des Universums zusammenhängt, wie sie im Hubble-Gesetz festgelegt ist. Wenn die gemessene Rotverschiebung auf die Expansion zurückzuführen ist, würde dies die Interpretation von sehr weit entfernten Objekten mit außerordentlich hoher Leuchtkraft und Leistungsabgabe unterstützen, die weit über alle bisher gesehenen Objekte hinausgeht. Diese extreme Leuchtkraft würde auch das große Radiosignal erklären. Schmidt kam zu dem Schluss, dass es sich bei 3C 273 entweder um einen einzelnen Stern von etwa 10 km Durchmesser innerhalb unserer Galaxie (oder in deren Nähe) oder um einen weit entfernten aktiven galaktischen Kern handeln könnte. Er erklärte, dass ein weit entferntes und extrem starkes Objekt wahrscheinlicher sei. ⓘ
Schmidts Erklärung für die hohe Rotverschiebung wurde damals nicht allgemein akzeptiert. Ein Hauptproblem war die enorme Energiemenge, die diese Objekte abstrahlen müssten, wenn sie weit entfernt wären. In den 1960er Jahren gab es keinen allgemein akzeptierten Mechanismus, der dies erklären konnte. Die heute akzeptierte Erklärung, dass es sich um Materie in einer Akkretionsscheibe handelt, die in ein supermassereiches schwarzes Loch fällt, wurde erst 1964 von Edwin Salpeter und Yakov Zel'dovich vorgeschlagen, und selbst dann wurde sie von vielen Astronomen abgelehnt, weil die Existenz schwarzer Löcher in den 1960er Jahren noch weitgehend als theoretisch und zu exotisch angesehen wurde und weil noch nicht bestätigt war, dass viele Galaxien (einschließlich unserer eigenen) supermassereiche schwarze Löcher in ihrem Zentrum haben. Die seltsamen Spektrallinien in ihrer Strahlung und die Veränderungsgeschwindigkeit, die bei einigen Quasaren zu beobachten war, legten vielen Astronomen und Kosmologen nahe, dass die Objekte vergleichsweise klein und daher vielleicht hell, massereich und nicht weit entfernt waren; dementsprechend war ihre Rotverschiebung nicht auf die Entfernung oder die Geschwindigkeit zurückzuführen, sondern musste auf einen anderen Grund oder einen unbekannten Prozess zurückzuführen sein, was bedeutete, dass die Quasare nicht wirklich mächtige Objekte waren und sich auch nicht in extremer Entfernung befanden, wie ihr rotverschobenes Licht vermuten ließ. Eine gängige alternative Erklärung war, dass die Rotverschiebungen durch extreme Masse (Gravitationsrotverschiebung, erklärt durch die allgemeine Relativitätstheorie) und nicht durch extreme Geschwindigkeit (erklärt durch die spezielle Relativitätstheorie) verursacht wurden. ⓘ
In den 1960er und 1970er Jahren wurden verschiedene Erklärungen vorgeschlagen, die alle ihre eigenen Probleme hatten. Es wurde vorgeschlagen, dass Quasare nahe gelegene Objekte sind und dass ihre Rotverschiebung nicht auf die Ausdehnung des Raums zurückzuführen ist, sondern auf Licht, das aus einer tiefen Gravitationsquelle entweicht. Dies würde ein massives Objekt voraussetzen, was auch die hohe Leuchtkraft erklären würde. Ein Stern mit ausreichender Masse, um die gemessene Rotverschiebung zu erzeugen, wäre jedoch instabil und würde das Hayashi-Limit überschreiten. Quasare zeigen auch verbotene spektrale Emissionslinien, die bisher nur in heißen Gasnebeln mit geringer Dichte beobachtet wurden, die zu diffus wären, um sowohl die beobachtete Leistung zu erzeugen als auch in eine tiefe Gravitationsquelle zu passen. Es gab auch ernsthafte Bedenken gegen die Idee kosmologisch weit entfernter Quasare. Ein starkes Argument gegen sie war, dass sie Energien implizierten, die weit über die bekannten Energieumwandlungsprozesse, einschließlich der Kernfusion, hinausgingen. Es gab Vorschläge, dass Quasare aus einer bisher unbekannten stabilen Form von Antimaterie in einer ebenso unbekannten Art von Raumregion bestehen und dass dies der Grund für ihre Helligkeit sein könnte. Andere spekulierten, dass Quasare ein weißes Loch am Ende eines Wurmlochs oder eine Kettenreaktion zahlreicher Supernovae sind. ⓘ
Schließlich, etwa ab den 1970er Jahren, zeigten viele Beweise (einschließlich der ersten Röntgenobservatorien im Weltraum, des Wissens über Schwarze Löcher und moderner kosmologischer Modelle) allmählich, dass die Rotverschiebungen von Quasaren echt und auf die Expansion des Weltraums zurückzuführen sind, dass Quasare tatsächlich so stark und so weit entfernt sind, wie Schmidt und einige andere Astronomen angenommen hatten, und dass ihre Energiequelle Materie aus einer Akkretionsscheibe ist, die auf ein supermassives Schwarzes Loch fällt. Dazu gehörten entscheidende Beweise aus der optischen und röntgentechnischen Beobachtung von Quasar-Wirtsgalaxien, die Entdeckung "dazwischenliegender" Absorptionslinien, die verschiedene spektrale Anomalien erklärten, Beobachtungen durch Gravitationslinsen, die Feststellung von Peterson und Gunn im Jahr 1971, dass Galaxien, die Quasare enthalten, die gleiche Rotverschiebung wie die Quasare aufweisen, und die Feststellung von Kristian im Jahr 1973, dass die "unscharfe" Umgebung vieler Quasare mit einer weniger leuchtkräftigen Wirtsgalaxie übereinstimmt. ⓘ
Dieses Modell passt auch gut zu anderen Beobachtungen, die darauf hindeuten, dass viele oder sogar die meisten Galaxien ein massives zentrales Schwarzes Loch haben. Es würde auch erklären, warum Quasare im frühen Universum häufiger anzutreffen sind: Wenn ein Quasar Materie aus seiner Akkretionsscheibe anzieht, kommt ein Punkt, an dem weniger Materie in der Nähe ist und die Energieproduktion nachlässt oder aufhört, da der Quasar zu einem gewöhnlichen Galaxientyp wird. ⓘ
Der Mechanismus der Energieerzeugung durch die Akkretionsscheibe wurde schließlich in den 1970er Jahren modelliert, und schwarze Löcher wurden auch direkt nachgewiesen (einschließlich des Nachweises, dass sich supermassive schwarze Löcher im Zentrum unserer und vieler anderer Galaxien befinden), wodurch die Bedenken ausgeräumt wurden, dass Quasare zu hell sind, um von sehr weit entfernten Objekten zu stammen, oder dass ein geeigneter Mechanismus in der Natur nicht nachgewiesen werden konnte. Bis 1987 war es "allgemein anerkannt", dass dies die richtige Erklärung für Quasare war, und die kosmologische Entfernung und Energieabgabe von Quasaren wurde von fast allen Forschern akzeptiert. ⓘ
Moderne Beobachtungen (ab den 1970er Jahren)
Später wurde festgestellt, dass nicht alle Quasare eine starke Radioemission haben; tatsächlich sind nur etwa 10 % "radio-laut". Daher wird der Name "QSO" (quasi-stellares Objekt) verwendet (zusätzlich zu "Quasar"), um diese Objekte zu bezeichnen, die weiter in die Klassen "radio-loud" und "radio-quiet" eingeteilt werden. Die Entdeckung des Quasars hatte in den 1960er Jahren große Auswirkungen auf die Astronomie und führte zu einer stärkeren Annäherung von Physik und Astronomie. ⓘ
Im Jahr 1979 wurde der von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagte Gravitationslinseneffekt mit Bildern des Doppelquasars 0957+561 zum ersten Mal durch Beobachtungen bestätigt. ⓘ
Eine im Februar 2021 veröffentlichte Studie zeigte, dass es in einer Richtung (in Richtung Hydra) mehr Quasare gibt als in der entgegengesetzten Richtung, was scheinbar darauf hinweist, dass wir uns in diese Richtung bewegen. Die Richtung dieses Dipols ist jedoch etwa 28° von der Richtung unserer Bewegung in Bezug auf die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung entfernt. ⓘ
Im März 2021 präsentierte eine Gruppe von Wissenschaftlern im Zusammenhang mit dem Event Horizon Telescope zum ersten Mal ein polarisiertes Bild eines Schwarzen Lochs, insbesondere des Schwarzen Lochs im Zentrum von Messier 87, einer elliptischen Galaxie im Sternbild Jungfrau in einer Entfernung von etwa 55 Millionen Lichtjahren, das Aufschluss über die Kräfte gibt, die Quasare entstehen lassen. ⓘ
Aktuelles Verständnis
Heute weiß man, dass Quasare weit entfernte, aber extrem leuchtstarke Objekte sind, so dass jegliches Licht, das die Erde erreicht, aufgrund der metrischen Expansion des Raums rotverschoben ist. ⓘ
Quasare befinden sich in den Zentren aktiver Galaxien und gehören zu den leuchtstärksten, kraftvollsten und energiereichsten Objekten im Universum. Sie strahlen bis zum Tausendfachen der Energiemenge der Milchstraße, die 200 bis 400 Milliarden Sterne enthält. Diese Strahlung wird fast gleichmäßig über das gesamte elektromagnetische Spektrum abgegeben, von der Röntgenstrahlung bis zum fernen Infrarot mit einem Höhepunkt im ultravioletten optischen Bereich, wobei einige Quasare auch starke Quellen von Radio- und Gammastrahlung sind. Mit hochauflösenden Bildern von bodengestützten Teleskopen und dem Hubble-Weltraumteleskop konnten in einigen Fällen die "Wirtsgalaxien", die die Quasare umgeben, entdeckt werden. Diese Galaxien sind normalerweise zu lichtschwach, um im Gegensatz zum grellen Licht des Quasars gesehen zu werden, es sei denn, man verwendet spezielle Techniken. Die meisten Quasare, mit Ausnahme von 3C 273, dessen mittlere scheinbare Helligkeit 12,9 beträgt, können mit kleinen Teleskopen nicht gesehen werden. ⓘ
Es wird angenommen - und in vielen Fällen auch bestätigt -, dass Quasare durch die Akkretion von Material in supermassiven schwarzen Löchern in den Kernen ferner Galaxien entstehen, wie 1964 von Edwin Salpeter und Yakov Zel'dovich vorgeschlagen. Licht und andere Strahlung können aus dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs nicht entweichen. Die von einem Quasar erzeugte Energie wird außerhalb des Schwarzen Lochs durch die Gravitationskraft und die enorme Reibung in der dem Schwarzen Loch am nächsten gelegenen Materie erzeugt, während er um das Loch kreist und nach innen fällt. Die enorme Leuchtkraft von Quasaren resultiert aus den Akkretionsscheiben zentraler supermassereicher Schwarzer Löcher, die zwischen 6 % und 32 % der Masse eines Objekts in Energie umwandeln können, verglichen mit nur 0,7 % für den p-p-Kernfusionsprozess, der die Energieerzeugung in sonnenähnlichen Sternen dominiert. In Quasaren wurden mit Hilfe der Nachhallkartierung Zentralmassen von 105 bis 109 Sonnenmassen gemessen. Mehrere Dutzend nahe gelegene große Galaxien, darunter unsere eigene Milchstraße, die kein aktives Zentrum haben und keine quasarähnliche Aktivität zeigen, enthalten nachweislich ein ähnliches supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Kern (galaktisches Zentrum). Daher geht man heute davon aus, dass alle großen Galaxien ein solches Schwarzes Loch haben, aber nur ein kleiner Teil davon hat genügend Materie in der richtigen Art von Umlaufbahn in seinem Zentrum, um aktiv zu werden und Strahlung in einer Weise abzugeben, die als Quasar sichtbar wird. ⓘ
Dies erklärt auch, warum Quasare im frühen Universum häufiger vorkamen, da diese Energieproduktion endet, wenn das supermassive Schwarze Loch das gesamte Gas und den Staub in seiner Nähe verzehrt. Es ist also möglich, dass die meisten Galaxien, einschließlich der Milchstraße, eine aktive Phase durchlaufen haben, in der sie als Quasar oder eine andere Klasse aktiver Galaxien auftraten, die von der Masse des Schwarzen Lochs und der Akkretionsrate abhingen, und nun ruhen, weil ihnen der Nachschub an Materie fehlt, mit dem sie ihr zentrales Schwarzes Loch zur Erzeugung von Strahlung versorgen können. ⓘ
Es ist unwahrscheinlich, dass die Materie, die auf das Schwarze Loch zufließt, direkt hineinfällt, aber sie wird einen gewissen Drehimpuls um das Schwarze Loch haben, der sie dazu bringt, sich in einer Akkretionsscheibe zu sammeln. Quasare können auch entzündet werden, wenn normale Galaxien verschmelzen und das Schwarze Loch mit einer neuen Materiequelle versorgt wird. Es wurde sogar vermutet, dass ein Quasar entstehen könnte, wenn die Andromeda-Galaxie in etwa 3-5 Milliarden Jahren mit unserer eigenen Milchstraße kollidiert. ⓘ
In den 1980er Jahren wurden einheitliche Modelle entwickelt, in denen Quasare als eine bestimmte Art aktiver Galaxien klassifiziert wurden, und man kam zu dem Schluss, dass sie sich in vielen Fällen einfach durch den Betrachtungswinkel von anderen aktiven Galaxien wie Blazaren und Radiogalaxien unterscheiden. ⓘ
Der Quasar mit der höchsten bekannten Rotverschiebung (Stand Dezember 2017) ist ULAS J1342+0928 mit einer Rotverschiebung von 7,54, was einer Entfernung von etwa 29,36 Milliarden Lichtjahren von der Erde entspricht (diese Entfernungen sind viel größer als die Strecke, die das Licht in der 13,8-Milliarden-Jahre-Geschichte des Universums zurücklegen konnte, da sich der Raum selbst ebenfalls ausdehnt). ⓘ
Eigenschaften
Mehr als 750.414 Quasare wurden gefunden (Stand: August 2020), die meisten aus dem Sloan Digital Sky Survey. Alle beobachteten Quasarspektren haben Rotverschiebungen zwischen 0,056 und 7,64 (Stand: 2021). Die Anwendung des Hubble-Gesetzes auf diese Rotverschiebungen zeigt, dass die Quasare zwischen 600 Millionen und 29,36 Milliarden Lichtjahren entfernt sind (in Bezug auf die Entfernung in Reiserichtung). Aufgrund der großen Entfernungen zu den am weitesten entfernten Quasaren und der endlichen Lichtgeschwindigkeit erscheinen sie und der sie umgebende Raum so, wie sie in der Frühzeit des Universums existierten. ⓘ
Die Kraft der Quasare stammt von den supermassereichen schwarzen Löchern, von denen man annimmt, dass sie im Kern der meisten Galaxien existieren. Die Dopplerverschiebung von Sternen in der Nähe der Galaxienkerne deutet darauf hin, dass sie um gewaltige Massen mit sehr steilen Gravitationsgradienten kreisen, was auf schwarze Löcher hindeutet. ⓘ
Obwohl Quasare von der Erde aus gesehen schwach erscheinen, sind sie aus extremen Entfernungen sichtbar, da sie die hellsten Objekte im bekannten Universum sind. Der hellste Quasar am Himmel ist 3C 273 im Sternbild der Jungfrau. Er hat eine mittlere scheinbare Helligkeit von 12,8 (hell genug, um durch ein mittelgroßes Amateurteleskop gesehen zu werden), hat aber eine absolute Helligkeit von -26,7. Aus einer Entfernung von etwa 33 Lichtjahren würde dieses Objekt am Himmel etwa so hell leuchten wie unsere Sonne. Die Leuchtkraft dieses Quasars ist also etwa 4 Billionen (4×1012) Mal so stark wie die der Sonne oder etwa 100 Mal so stark wie das gesamte Licht von Riesengalaxien wie der Milchstraße. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Quasar Energie in alle Richtungen abstrahlt, während der aktive galaktische Kern vermutlich bevorzugt in Richtung seines Jets strahlt. In einem Universum mit Hunderten von Milliarden von Galaxien, von denen die meisten vor Milliarden von Jahren aktive Kerne hatten, die aber erst heute zu sehen sind, ist es statistisch gesehen sicher, dass Tausende von Energiestrahlen auf die Erde gerichtet sein müssten, einige direkter als andere. In vielen Fällen ist es wahrscheinlich, dass je heller der Quasar ist, desto direkter sein Strahl auf die Erde gerichtet ist. Solche Quasare werden als Blazare bezeichnet. ⓘ
Der hyperhelle Quasar APM 08279+5255 wurde bei seiner Entdeckung im Jahr 1998 mit einer absoluten Helligkeit von -32,2 angegeben. Hochauflösende Aufnahmen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem 10-m-Keck-Teleskop zeigten, dass dieses System durch die Gravitationslinse beeinflusst wird. Eine Untersuchung der Gravitationslinsen dieses Systems deutet darauf hin, dass das emittierte Licht um einen Faktor von ~10 vergrößert wurde. Es ist immer noch wesentlich heller als nahe gelegene Quasare wie 3C 273. ⓘ
Quasare waren im frühen Universum sehr viel häufiger als heute. Diese Entdeckung von Maarten Schmidt im Jahr 1967 war ein erster starker Beweis gegen die stationäre Kosmologie und für die Urknall-Kosmologie. Quasare zeigen die Orte an, an denen supermassive schwarze Löcher schnell wachsen (durch Akkretion). Detaillierte Simulationen, über die 2021 berichtet wurde, zeigten, dass Galaxiestrukturen, wie z. B. Spiralarme, Gravitationskräfte nutzen, um Gas zu "bremsen", das andernfalls ewig um die Galaxiezentren kreisen würde; stattdessen ermöglichte der Bremsmechanismus, dass das Gas in die supermassiven Schwarzen Löcher fällt und enorme Strahlungsenergien freisetzt. Diese schwarzen Löcher entwickeln sich zusammen mit der Masse der Sterne in ihrer Wirtsgalaxie auf eine Weise, die derzeit noch nicht vollständig verstanden ist. Eine Idee ist, dass die Jets, die Strahlung und die Winde, die von den Quasaren erzeugt werden, die Bildung neuer Sterne in der Wirtsgalaxie unterbinden, ein Prozess, der als "Rückkopplung" bezeichnet wird. Die Jets, die in einigen Quasaren in den Zentren von Galaxienhaufen eine starke Radioemission erzeugen, sind dafür bekannt, dass sie stark genug sind, um zu verhindern, dass das heiße Gas in diesen Haufen abkühlt und auf die zentrale Galaxie fällt. ⓘ
Die Leuchtkraft von Quasaren ist variabel, mit Zeitskalen, die von Monaten bis zu Stunden reichen. Das bedeutet, dass Quasare ihre Energie in einem sehr kleinen Gebiet erzeugen und ausstrahlen, da jeder Teil des Quasars mit anderen Teilen auf einer solchen Zeitskala in Kontakt sein muss, dass die Leuchtkraftschwankungen koordiniert werden können. Dies würde bedeuten, dass ein Quasar, der sich auf einer Zeitskala von einigen Wochen verändert, nicht größer als einige Lichtwochen sein kann. Die Emission großer Energiemengen aus einer kleinen Region erfordert eine Energiequelle, die weitaus effizienter ist als die Kernfusion, die Sterne antreibt. Bei der Umwandlung von potenzieller Gravitationsenergie in Strahlung durch den Einfall in ein Schwarzes Loch werden zwischen 6 % und 32 % der Masse in Energie umgewandelt, verglichen mit 0,7 % bei der Umwandlung von Masse in Energie in einem Stern wie unserer Sonne. Dies ist der einzige bekannte Prozess, der über einen sehr langen Zeitraum eine so hohe Energie erzeugen kann. (Stellarexplosionen wie Supernovae und Gammastrahlenausbrüche sowie die direkte Materie-Antimaterie-Annihilation können ebenfalls eine sehr hohe Leistung erzeugen, aber Supernovae dauern nur wenige Tage, und das Universum scheint zu den betreffenden Zeitpunkten nicht über große Mengen an Antimaterie verfügt zu haben). ⓘ
Da Quasare alle Eigenschaften anderer aktiver Galaxien, wie z. B. Seyfert-Galaxien, aufweisen, kann die Emission von Quasaren leicht mit der von kleineren aktiven Galaxien verglichen werden, die von kleineren supermassiven schwarzen Löchern angetrieben werden. Um eine Leuchtkraft von 1040 Watt (die typische Helligkeit eines Quasars) zu erzeugen, müsste ein supermassereiches Schwarzes Loch das Materialäquivalent von 10 Sonnenmassen pro Jahr verbrauchen. Die hellsten bekannten Quasare verschlingen jedes Jahr 1000 Sonnenmassen an Material. Der größte bekannte Quasar verschlingt schätzungsweise Materie im Umfang von 10 Erdmassen pro Sekunde. Die Leuchtkraft von Quasaren kann je nach ihrer Umgebung im Laufe der Zeit erheblich schwanken. Da es schwierig ist, Quasare über viele Milliarden Jahre hinweg mit Energie zu versorgen, wird ein Quasar, nachdem er das umgebende Gas und den Staub aufgenommen hat, zu einer gewöhnlichen Galaxie. ⓘ
Die Strahlung von Quasaren ist teilweise "nicht-thermisch" (d. h. nicht auf Schwarzkörperstrahlung zurückzuführen), und bei etwa 10 % der Quasare werden auch Jets und Keulen wie bei Radiogalaxien beobachtet, die ebenfalls beträchtliche (aber schlecht verstandene) Energiemengen in Form von Teilchen enthalten, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen. Die extrem hohen Energien können durch verschiedene Mechanismen erklärt werden (siehe Fermi-Beschleunigung und Zentrifugalmechanismus der Beschleunigung). Quasare können über das gesamte beobachtbare elektromagnetische Spektrum nachgewiesen werden, einschließlich Radio, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgen- und sogar Gammastrahlung. Die meisten Quasare sind am hellsten in ihrer ultravioletten Wellenlänge von 121,6 nm (Lyman-alpha-Emissionslinie des Wasserstoffs) im Ruhezustand, aber aufgrund der enormen Rotverschiebung dieser Quellen wurde diese Spitzenleuchtkraft auch im nahen Infrarot bis zu 900,0 nm beobachtet. Eine Minderheit der Quasare zeigt starke Radioemission, die von Materiestrahlen erzeugt wird, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Von unten betrachtet erscheinen diese Quasare als Blazare und haben oft Regionen, die sich scheinbar schneller als die Lichtgeschwindigkeit vom Zentrum wegbewegen (superluminale Expansion). Dies ist eine optische Täuschung, die auf die Eigenschaften der speziellen Relativitätstheorie zurückzuführen ist. ⓘ
Die Rotverschiebung von Quasaren wird anhand der starken Spektrallinien gemessen, die in ihren sichtbaren und ultravioletten Emissionsspektren dominieren. Diese Linien sind heller als das kontinuierliche Spektrum. Sie weisen eine Dopplerverbreiterung auf, die einer mittleren Geschwindigkeit von mehreren Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Schnelle Bewegungen deuten stark auf eine große Masse hin. Die hellsten Linien sind die Emissionslinien von Wasserstoff (hauptsächlich der Lyman-Reihe und der Balmer-Reihe), Helium, Kohlenstoff, Magnesium, Eisen und Sauerstoff. Die Atome, die diese Linien emittieren, reichen von neutral bis stark ionisiert, so dass sie stark geladen sind. Dieses breite Spektrum der Ionisierung zeigt, dass das Gas stark vom Quasar bestrahlt wird, nicht nur heiß ist und nicht von Sternen stammt, die ein so breites Spektrum der Ionisierung nicht erzeugen können. ⓘ
Wie alle (nicht verdeckten) aktiven Galaxien können auch Quasare starke Röntgenquellen sein. Radiostarke Quasare können auch Röntgen- und Gammastrahlung erzeugen, und zwar durch inverse Compton-Streuung von Photonen niedrigerer Energie an den radioemittierenden Elektronen im Jet. ⓘ
Eisenquasare zeigen starke Emissionslinien, die von Eisen mit niedriger Ionisierung (Fe II) stammen, wie IRAS 18508-7815. ⓘ
Spektrallinien, Reionisation und das frühe Universum
Quasare liefern auch Hinweise auf das Ende der Reionisierung des Urknalls. Die ältesten bekannten Quasare (z = 6) zeigen ein Gunn-Peterson-Tal und haben Absorptionsbereiche vor sich, die darauf hindeuten, dass das intergalaktische Medium zu dieser Zeit neutrales Gas war. Neuere Quasare zeigen keinen Absorptionsbereich, sondern ihre Spektren enthalten einen stacheligen Bereich, der als Lyman-Alpha-Wald bekannt ist; dies deutet darauf hin, dass das intergalaktische Medium eine Reionisierung zu Plasma durchlaufen hat und neutrales Gas nur in kleinen Wolken existiert. ⓘ
Die intensive Produktion von ionisierender ultravioletter Strahlung ist ebenfalls von Bedeutung, da sie einen Mechanismus für die Reionisierung bei der Entstehung von Galaxien darstellt. Trotzdem deuten aktuelle Theorien darauf hin, dass Quasare nicht die primäre Quelle der Reionisation waren; die primären Ursachen der Reionisation waren wahrscheinlich die frühesten Generationen von Sternen, die als Population III-Sterne bekannt sind (möglicherweise 70 %), und Zwerggalaxien (sehr frühe kleine hochenergetische Galaxien) (möglicherweise 30 %). ⓘ
Quasare weisen Elemente auf, die schwerer als Helium sind, was darauf hindeutet, dass Galaxien zwischen dem Urknall und den ersten beobachteten Quasaren eine massive Phase der Sternentstehung durchlaufen haben, in der Sterne der Population III entstanden sind. Das Licht dieser Sterne wurde möglicherweise 2005 mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA beobachtet, obwohl diese Beobachtung noch bestätigt werden muss. ⓘ
Quasar-Untertypen
Die Taxonomie der Quasare umfasst verschiedene Untertypen, die Teilmengen der Quasar-Population mit unterschiedlichen Eigenschaften darstellen. ⓘ
- Radiolaut-Quasare sind Quasare mit starken Jets, die starke Quellen von Radiowellenemissionen sind. Sie machen etwa 10 % der gesamten Quasarpopulation aus.
- Leise Quasare sind Quasare ohne starke Jets, deren Radioemission relativ schwächer ist als die der lauten Quasare. Die Mehrheit der Quasare (etwa 90 %) ist radioleise.
- Quasare mit breiter Absorptionslinie (BAL) sind Quasare, deren Spektren breite Absorptionslinien aufweisen, die relativ zur Ruhelage des Quasars blauverschoben sind und von Gas herrühren, das vom aktiven Kern in Richtung des Beobachters ausströmt. Breite Absorptionslinien finden sich bei etwa 10 % der Quasare, und BAL-Quasare sind in der Regel radioleise. In den ultravioletten Ruhespektren von BAL-Quasaren können breite Absorptionslinien von ionisiertem Kohlenstoff, Magnesium, Silizium, Stickstoff und anderen Elementen nachgewiesen werden.
- Quasare vom Typ 2 (oder Typ II) sind Quasare, bei denen die Akkretionsscheibe und die breiten Emissionslinien durch dichtes Gas und Staub stark verdeckt sind. Sie sind die leuchtkräftigeren Gegenstücke zu den Seyfert-Galaxien vom Typ 2.
- Rote Quasare sind Quasare, deren optische Farben röter sind als die normaler Quasare, was vermutlich auf eine mäßige Staubextinktion in der Wirtsgalaxie des Quasars zurückzuführen ist. Infrarot-Durchmusterungen haben gezeigt, dass rote Quasare einen erheblichen Anteil an der gesamten Quasar-Population ausmachen.
- Optisch gewalttätige variable (OVV) Quasare sind radioaktive Quasare, bei denen der Jet auf den Beobachter gerichtet ist. Die relativistische Beeinflussung der Jet-Emission führt zu einer starken und schnellen Variabilität der Quasar-Helligkeit. OVV-Quasare werden auch als eine Art Blazar betrachtet.
- Schwache Emissionslinienquasare sind Quasare mit ungewöhnlich schwachen Emissionslinien im ultravioletten/sichtbaren Spektrum. ⓘ
Rolle in himmlischen Bezugssystemen
Da Quasare extrem weit entfernt, hell und scheinbar klein sind, sind sie nützliche Bezugspunkte für die Erstellung eines Messgitters am Himmel. Das Internationale Himmelsreferenzsystem (ICRS) basiert auf Hunderten von außergalaktischen Radioquellen, meist Quasaren, die über den gesamten Himmel verteilt sind. Da sie so weit entfernt sind, scheinen sie für unsere heutige Technologie ortsfest zu sein, doch ihre Positionen können mit Hilfe der Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) mit äußerster Genauigkeit gemessen werden. Die Positionen der meisten Quasare sind mit einer Genauigkeit von 0,001 Bogensekunden oder besser bekannt, was um Größenordnungen präziser ist als die besten optischen Messungen. ⓘ
Mehrere Quasare
Eine Gruppierung von zwei oder mehr Quasaren am Himmel kann aus einer zufälligen Ausrichtung resultieren, bei der die Quasare nicht physisch miteinander verbunden sind, aus einer tatsächlichen physischen Nähe oder aus den Auswirkungen der Schwerkraft, die das Licht eines einzelnen Quasars durch Gravitationslinsen in zwei oder mehr Bilder umwandelt. ⓘ
Wenn zwei Quasare von der Erde aus gesehen sehr nahe beieinander liegen (mit einem Abstand von einigen Bogensekunden oder weniger), werden sie gemeinhin als "Doppelquasar" bezeichnet. Wenn die beiden Quasare auch im Weltraum nahe beieinander stehen (d. h. ähnliche Rotverschiebungen aufweisen), spricht man von einem "Quasarpaar" oder von einem "binären Quasar", wenn sie so nahe beieinander stehen, dass ihre Wirtsgalaxien wahrscheinlich in physikalischer Wechselwirkung stehen. ⓘ
Da Quasare insgesamt seltene Objekte im Universum sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass drei oder mehr separate Quasare in der Nähe desselben Ortes gefunden werden, sehr gering, und die Feststellung, ob das System räumlich eng voneinander getrennt ist, erfordert einen erheblichen Beobachtungsaufwand. Der erste echte Dreifach-Quasar wurde 2007 durch Beobachtungen am W. M. Keck-Observatorium auf Mauna Kea, Hawaii, entdeckt. LBQS 1429-008 (oder QQQ J1432-0106) wurde erstmals 1989 beobachtet und damals als Doppelquasar eingestuft. Als die Astronomen den dritten Quasar entdeckten, bestätigten sie, dass es sich um getrennte Quellen handelte und nicht um das Ergebnis von Gravitationslinsenbildung. Dieser Dreifach-Quasar hat eine Rotverschiebung von z = 2,076. Die Komponenten sind schätzungsweise 30-50 Kiloparsec (etwa 97.000-160.000 Lichtjahre) voneinander entfernt, was für wechselwirkende Galaxien typisch ist. Im Jahr 2013 wurde das zweite echte Quasartripel, QQQ J1519+0627, mit einer Rotverschiebung von z = 1,51 gefunden, wobei das gesamte System in einen physikalischen Abstand von 25 kpc (etwa 80.000 Lichtjahre) passt. ⓘ
Das erste echte Vierfach-Quasar-System wurde 2015 bei einer Rotverschiebung von z = 2,0412 entdeckt und hat einen physikalischen Gesamtabstand von etwa 200 kpc (ca. 650.000 Lichtjahre). ⓘ
Ein Mehrfachbild-Quasar ist ein Quasar, dessen Licht einer Gravitationslinse unterliegt, was zu einem doppelten, dreifachen oder vierfachen Bild desselben Quasars führt. Die erste Gravitationslinse dieser Art, die entdeckt wurde, war der doppelt abgebildete Quasar Q0957+561 (oder Zwillingsquasar) im Jahr 1979. Ein Beispiel für einen dreifach gelinsigen Quasar ist PG1115+08. Es sind mehrere Vierfach-Quasare bekannt, darunter das Einstein-Kreuz und der Kleeblatt-Quasar, wobei die ersten Entdeckungen dieser Art Mitte der 1980er Jahre gemacht wurden. ⓘ
Galerie
Illustration von Doppelquasaren in verschmelzenden Galaxien
Diese beiden Bilder des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops zeigen zwei Paare von Quasaren, die vor 10 Milliarden Jahren existierten und sich in den Herzen von verschmelzenden Galaxien befinden. ⓘ
Nutzung als Referenzsystem
Quasare sind sehr hell, sodass sie auf große Entfernungen sichtbar sind. Zugleich sind sie sehr weit entfernt, sodass ihre Bewegung am Himmel vernachlässigbar klein und faktisch nicht mehr messbar ist. Diese Eigenschaft wird genutzt, um aus den Quasaren ein Referenzsystem aufzubauen. Der International Celestial Reference Frame (ICRF) ist ein Katalog von Quasaren und anderen Objekten, deren Positionen in einem aufwendigen Verfahren mit Radioteleskopen über viele Jahre mittels VLBI auf ca. 30 µas (Mikrobogensekunden) genau vermessen wurde. Dieser Katalog lässt sich als Bezugssystem für astronomische Kataloge und für die Geodäsie einsetzen. Der ICRF3 enthält 4.536 extragalaktische Radioquellen. Im Rahmen der Veröffentlichung der Gaia-Mission wurden mehrere Versionen des Gaia Celestial Reference Frame veröffentlicht. Dieser Referenzrahmen wurde benutzt, um die Objekte der Gaiakataloge auszurichten. GCRF3 enthält 1.614.173 Quasare, die im optischen Bereich erfasst wurden. Der Katalog enthält damit wesentlich mehr Referenzpunkte. ⓘ
Briefmarken
Mit dem Erstausgabetag 1. Juli 2019 gab die Deutsche Post AG in der Serie Astrophysik ein Postwertzeichen im Nennwert von 110 Eurocent mit der Bezeichnung Schwarzes Loch / Quasar heraus. Der Entwurf stammt von der Grafikerin Andrea Voß-Acker aus Wuppertal. ⓘ