Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 6 Min.

GRAVITY: Das Schwarze Loch im Quasar 3C 273 auf der Waage


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 2/2019 vom 18.01.2019

Einem internationalen Team gelang die bisher genaueste Messung der Masse des extrem massereichen Schwarzen Lochs im Herzen des Quasars 3C 273. Die Messungen erfolgten mit dem neuen Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte.


Artikelbild für den Artikel "GRAVITY: Das Schwarze Loch im Quasar 3C 273 auf der Waage" aus der Ausgabe 2/2019 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 2/2019

Der Quasar 3C 273 erscheint selbst in dieser Aufnahme mit dem Weltraumteleskop Hubble sternförmig. Er ist der hellste an unserem Himmel. Der nach Südwesten weisende Jet ist jedoch deutlich zu sehen. Seine Länge beträgt rund 200 000 Lichtjahre.


ESA/Hubble & NASA (https://www.spacetelescope.org/images/potw1346a/) / CC BY 4.0 ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Sterne und Weltraum. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 2/2019 von 2019: Das Jahr der Gravitationswellen?. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
2019: Das Jahr der Gravitationswellen?
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von LESERBRIEFE. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESERBRIEFE
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von IM B ILD: InSights erstes »Selfie«. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
IM B ILD: InSights erstes »Selfie«
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von NACHRICHTEN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NACHRICHTEN
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von Wasserdampf auf Exoplanet HR 8799c entdeckt. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Wasserdampf auf Exoplanet HR 8799c entdeckt
Vorheriger Artikel
KURZBERICHTE: OSIRIS-REx tanzt um Bennu
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel Messung der Rotationsgeschwindigkeit von Schwarzen Löchern
aus dieser Ausgabe

... (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)

ESO/GRAVITY consortium (https://www.eso.org/public/germany/images/eso1601d/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode

Das Instrument GRAVITY arbeitet am VLT auf dem Cerro Paranal in Chile.

Animation zur Erläuterung des komplizierten Strahlengangs von GRAVITY:
suw.link/1902-GRAVITY

Ein vielerseits bekanntes Objekt des im Jahr 1959 publizierten dritten Cambridge- Katalogs von Radioquellen ist die Quelle 3C 273. Es handelt sich um einen Quasar, also eine Galaxie, in deren Zentrum ein aktives, extrem massereiches Schwarzes Loch für die enorme Leuchtkraft sorgt (siehe Bild oben). Astronomen gelangen nun zwischen Juli 2017 und Mai 2018 d ie b isher präzisesten Messungen zur Bestimmung der Masse des zentralen Schwarzen Lochs in 3C 273. Ein internationales Forscherteam um den Garchinger Astronomen Eckhard Sturm vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik nutze dazu das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte und das neue Instrument GRAVITY in Chile.

GRAVITY misst Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich des K-Bands bei Wellenlängen zwischen 2,0 und 2,4 Mikrometer. Das Instrument bringt das Licht der vier Acht-Meter-Teleskope paarweise zur Interferenz. Alternativ lassen sich auch die vier Hilfsteleskope des VLT, die Auxiliary Telescopes, mit ihren 1,8-Meter-Spiegeln verwenden. Das entstehende Interferenzmuster wird spektroskopisch aufgespalten und ermöglicht so die simultane Beobachtung von Kontinuumsstrahlung und Linienemission oder -absorption. Kontinuumsstrahlung kommt von einem heißen Körper und ist bei jeder Wellenlänge zu sehen, Emissions- oder Absorptionslinien befinden sich jedoch bei ganz bestimmten Wellenlängen und zeugen von bestimmten chemischen Elementen oder Molekülen.

Aus den Beobachtungen lassen sich der Kontrast und die Phase des Interferenzmusters ableiten. Der Kontrast gibt an, wie nahe der Winkeldurchmesser eines Objekts an der Auflösungsgrenze des Interferometers liegt, während die Phase seinem Ort am Himmel entspricht. Eine der technischen Neuerungen von GRAVITY ist ein verbessertes Messgerät zur Stabilisierung der Interferenzmuster auf dem Detektor. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Belichtungszeiten von Einzelaufnahmen auf 30 Sekunden auszudehnen und typischerweise 10 bis 30 Einzelaufnahmen aufzuaddieren. GRAVITY ist durch diese und weitere technische Neuerungen bis zu fünf Magnituden – das entspricht einem Faktor 100 – empfindlicher als frühere VLTI-Instrumente.

Nach unserem heutigen Verständnis besitzen Quasare in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch mit einigen 100 Millionen Sonnenmassen, das in eine massereiche Ansammlung von Gas und Staub eingebettet ist. Die Umwandlung der potenziellen Energie einfallender Materie in kinetische Energie und Strahlung führt dazu, dass Quasare zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum zählen. Selbst bei einer Masse von 100 Millionen Sonnenmassen ist ein Schwarzes Loch noch relativ kompakt: Mit einem Durchmesser von rund vier Astronomischen Einheiten ist es nicht größer als das innere Sonnensystem. Durch diese geringe Ausdehnung, kombiniert mit kosmologischen Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren, erschien es lange Zeit unmöglich, physikalische Prozesse im Zentralbereich eines Quasars räumlich aufzulösen.

Masse des Quasars

Zur Abschätzung der Zentralmasse eines Quasars verwenden Astronomen bisher üblicherweise eine Methode, die auf einer Kombination von Geschwindigkeitsmessungen und der Messung der Lichtlaufzeit eines Helligkeitsausbruchs eines Quasars beruht. Kennt man die Bahngeschwindigkeit, mit der ein Testteilchen in einem Schwerkraftpotenzial eine Zentralquelle umläuft, und den Abstand zwischen dem Zentrum und dem Testteilchen, lässt sich aus dem Gravitationsgesetz die Masse des zentralen Objekts bestimmen. Im Fall von Quasaren sind die Testteilchen Wasserstoffatome in einer Gasscheibe.

Wird bei einem Helligkeitsausbruch eines Quasars intensive ultraviolette Strahlung erzeugt, so lässt sich der Helligkeitsausbruch im Zentralbereich sofort nachweisen. Die UV-Strahlung läuft mit Lichtgeschwindigkeit nach außen, bis ein energiereiches Photon schließlich ein Wasserstoffatom erreicht und dessen Elektron auf ein höheres Energieniveau anregt. Fällt das Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, so wird ein Photon mit einer für den Wasserstoff charakteristischen Wellenlänge ausgesandt. Aus dem Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt des zentralen Helligkeitsausbruchs und dem Auftreten der Wasserstoffemissionslinien ergibt sich der Abstand der angeregten Wasserstoffatome vom Zentralobjekt. Da Helligkeitsausbrüche von Quasaren unregelmäßig ablaufen, die Lichtlaufzeiten typischerweise zeieinige 100 Tage betragen und die Interpretation der Messungen teilweise auch von Modellen der Struktur und Neigung der Gasscheibe abhängt, ist die Messgenauigkeit dieser Methode beschränkt.

3C 273 wurde im Jahr 1959 als 273. Radioquelle im 3C-Katalog erfasst. Nicht lange danach entdeckte im Jahr 1963 der in den Niederlanden geborene Astronom Maarten Schmidt mehrere rotverschobene Emissionslinien des Wasserstoffatoms im Spektrum des Quasars 3C 273 und erkannte, dass das sternartige Objekt sehr weit entfernt sein musste.

GRAVITY erkennt Dopplereffekt

Mit den aus den WMAP- und Planck-Satellitenmissionen abgeleiteten Werten für die Materie- und Energiedichte des Universums und der Hubble-Konstanten entspricht die kosmologische Rotverschiebung von 3C 273 von 0,158 in einem flachen Universum einer geometrischen euklidischen Entfernung von etwa 550 bis 580 Megaparsec (rund 1,8 bis 1,9 Milliarden Lichtjahre). Die geometrische Entfernung wird aus der Winkelgröße des Objekts abgeleitet, euklidisch steht für eine flache Geometrie.

Mit dem VLTI und GRAVITY ist es nun zum ersten Mal gelungen, die Geschwindigkeit der Paschen-Alpha-Linie des Wasserstoffatoms im Zentralbereich von 3C 273 als Funktion der Phase des Interferogramms genau und wiederholbar zu messen (siehe Kasten oben).

Aus der Verschiebung der Linien relativ zur Laborwellenlänge lässt sich über den Dopplereffekt die Geschwindigkeit bestimmen. Die GRAVITY-Beobachtungen erzielen beim Vergleich zwischen Kontinuumsemission und der Linienemission eine Winkelauflösung von zehn Mikrobogensekunden. Mit dieser Winkelauflösung ließen sich von der Erde aus Details von etwa zwei Zentimeter Größe auf der Mondoberfläche ausmachen – umgekehrt könnte ein Astronaut vom Mond aus die Schlagzeilen einer Tageszeitung auf der Erde lesen. In der Entfernung von 3C 273 entsprechen zehn Mikrobogensekunden etwa einer Strecke von 35 Lichttagen, beziehungsweise 6000 Astronomischen Einheiten (AE). Ein Lichttag ist die Strecke, die Licht innerhalb eines Tages zurücklegen kann, rund 26 Milliarden Kilometer, 173 AE. Dank der neuen Messungen war es nun erstmals möglich, die Orientierung der Gasscheibe am Himmel direkt zu messen (siehe Grafik oben Mitte). Die Ebene der Scheibe liegt senkrecht zur Ausflussrichtung eines Jets, der sich über eine Strecke von 200 000 Lichtjahren vom Quasar erstreckt (siehe Grafik oben rechts).

Signatur einer rotierenden Akkretionsscheibe

Das Wasserstoffatom kann unterschiedliche diskrete Energiezustände annehmen. Seine Linien der Paschen-Serie entstehen beim Übergang des Elektrons auf das drittniedrigste Energieniveau. Die bekannteren Lyman-Linien enstehen beim Übergang auf das niedrigste Energienivau des Wasserstoffatoms, die Balmer-Linien bei Emissionsvorgängen, bei denen die Elektronen auf das zweitniedrigste fallen.

Die Paschen-Alpha-Linie von 3C 273 wurde mit Hilfe von GRAVITY, einem neuartigen Instrument am VLT-Interferometer, beobachtet. Die schwarzen Punkte (siehe Grafik links zei gen ihr Linienprofil, die violetten Punkte stellen die Phase des Interferogramms in Grad dar. Da die Phase direkt einem Ort entspricht, lässt sich aus der Kombination von Phase und Linienprofil das ortsabhängige Geschwindigkeitsprofil des Wasserstoffgases ableiten. Die Phase hat die für eine systematische Geschwindigkeitsänderung typische S-Form; die Fehlerbalken entsprechen einer Standardabweichung. Das Modell einer dicken Akkretionsscheibe (rote gestrichelte Linie), in der die breiten Linien abgestrahlt werden (englisch: broad line region) passt perfekt zu den Messpunkten.

Für jeden Ort entlang der Scheibe lässt sich die aus der Dopplerverschiebung abgeleitete mittlere Geschwindigkeit des Wasserstoffgases messen (siehe mittlere Grafik, farbige Kreise). Dabei zeigt sich ein Geschwindigkeitsabfall von Nordwest nach Südost, welcher charakteristisch für eine sich drehende und von der Seite betrachtete Scheibe ist. Die Scheibenebene (weiße gestrichelte Linie) liegt senkrecht zur beobachteten Jetachse. Die beobachteten Daten sprechen für eine dicke Akkretionsscheibe (siehe Grafik unten), deren Rotationsachse gegen die Sichtlinie um den Winkeli verkippt ist.

Innerer Rand der Scheibe

Die Messungen ergaben, dass sich das Wasserstoffgas in einem mittleren Abstand von nur 45 Mikrobogensekunden (150 L ichttagen) vom Schwarzen Loch befindet, und somit nur etwa im halben Abstand im Vergleich zu früheren Untersuchungen. Der neu bestimmte Abstand und die mittlere Geschwindigkeit des Wasserstoffgases von etwa 1500 Kilometern pro Sekunde deuten auf ein Schwarzes Loch mit 250 Millionen Sonnenmassen im Zentrum von 3C 273 hin. Frühere Messungen hatten die Masse des Schwarzen Lochs doppelt bis dreifach so hoch abgeschätzt. Für die Kontinuumsemission durch warmen Staub ergaben die neuen Messungen, dass diese aus einem Gebiet mit einem Durchmesser von etwa 300 Mikrobogensekunden (1000 Lichttage) stammt.

Im Vergleich zu früheren Messungen konnte mit der neuen Messmethode die Unsicherheit in der Massenabschätzung deutlich abgesenkt werden. Sie ist nun weitestgehend unabhängig von Modellannahmen über die Struktur von Gas und Staub in der inneren Region um das Schwarze Loch.

Als nächstes planen Eckhard Sturm und seine Kollegen das Zentrum anderer naher aktiver Galaxienkerne ebenfalls mit dem VLTI und GRAVITY zu untersuchen, um auch dort die Massen der Schwarzen Löcher neu zu bestimmen und durch Vergleich mit früheren Veröffentlichungen die Lichtlaufzeitmethode zu testen und gegebenenfalls neu zu eichen.

WOLFGANG BRANDNER ist Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Er forscht an hochauflösenden Beobachtungsmethoden und ist Mitglied des GRAVITY-Konsortiums.

Literaturhinweis

Konitzer, F.: Ein Torus um das Schwarze Loch in der Seyfertgalaxie NGC 1068. In: Sterne und Weltraum 11/2018, S. 16–18

Sturm, E.et al.: Spatially Resolved Ordered Rotation of a Quasar Broad Line Region at Sub-parsec Scale. In: Nature 563, S. 657 – 660, 2018

Didaktische Materialien:
www.wissenschaft-schulen.de/artikel/ 1285848