Der Ursprung eines Torus in einem galaktischen Kern

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Künstlerische Darstellung eines Quasars; der Einschub zeigt eine mit dem Chandra-Röntgen-Observatorium gewonnene Aufnahme des Quasars GB1508+5717. Die Daten enthüllen einen aus hochenergetischen Teilchen bestehenden Jet, der sich mehr als 100.000 Lichtjahre vom supermassereichen Schwarzen Loch weg ausdehnt, welches den Quasar mit Energie versorgt. Eine neue Untersuchung zeigt zum ersten Mal, daß sich ein Torus aus Gas und Staub auf natürliche Art und Weise um das im Zentrum gelegene Schwarze Loch bildet, wenn Material in Richtung des Zentrums fällt. NASA / Chandra

 

Quasare gehören zu den energiereichsten Objekten im Universum; einige sind so leuchtkräftig wie zehntausend Milchstraßen. Man vermutet, daß Quasare massereiche Schwarze Löcher in ihren Zentren beherbergen und Astronomen glauben zudem, daß die Gebiete um die Schwarzen Löcher stürmisch Materie akkretieren, ein Vorgang, der große Mengen an Energie freisetzt und oft gewaltige, eng gebündelte Materiejets ausstößt. Da sie so hell sind, kann man Quasare sogar sehen, wenn sie sehr weit entfernt sind. Die Verbindung aus hoher Energie und kosmologischer Entfernung macht sie für Astronomen interessant, die versuchen, das Wesen der galaktischen, zentralen Schwarzen Löcher (auch unsere eigene Milchstraße besitzt eines) und die Bedingungen im frühen Universum zu verstehen, die die Bildung dieser Monster verursachten.

Quasare und andere Galaxien mit weniger Aufsehen erregenden, aber dennoch aktiven Kernen kommen in einer Vielzahl von Untergruppen vor. Zum Beispiel enthalten einige heißes Gas, das sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegt, aber andere nicht; einige zeigen durch Staub verursachte starke Absorptionsmerkmale, andere wiederum nicht. Ein Problem beim Aufklären des Rätsels der Quasare liegt darin, daß viele (vielleicht die meisten) Kerne von Quasaren offenbar von einem Torus aus verdunkelndem Staub umgeben sind, der es schwierig macht, sie zu untersuchen. Das Standardmodell für diese Objekte schlägt genau genommen vor, daß die verschiedenen Untergruppen das Ergebnis der verschiedenen Sichtwinkel auf die aktiven Kerne in Bezug auf ihren staubigen Torus ist. Wenn der Kern zufällig frontal zu sehen ist und zudem ein Jet existiert, sind die Gasgeschwindigkeiten hoch und der Staub ist nicht sichtbar; wenn man von der Kante auf den Torus schaut, sind die beobachteten Geschwindigkeiten viel kleiner und die durch den Staub verursachten Absorptionsmerkmale sind vorherrschend. Aber bislang kann niemand mit Sicherheit sagen, wie Quasare entstehen, wie sie sich mit der Zeit entwickeln oder wie (oder welche) physikalischen Prozesse ihre gewaltigen Energiemengen erzeugen.

Doch die Situation könnte sich ändern. Die heftige Aktivität um ein Schwarzes Loch ist mit Bleistift und Papier nur sehr schwer zu untersuchen und so haben die Wissenschaftler über Jahre hinweg mit Hilfe von Computersimulationen zu ergründen versucht, was sich abspielt. Doch diese Simulationen standen einer großen Herausforderung gegenüber: man mußte die Strömung der Materie von galaxiengroßen Skalen von Hunderttausenden von Lichtjahren bis herab auf das zentrale Zehntel eines Lichtjahrs um das Schwarze Loch ganz genau verfolgen. Es ist zu kompliziert gewesen, allem in solch einem feinen Ausmaß über solch eine große Skala auf der Spur zu bleiben.

Die CfA-Astronomen Chris Hayward und Lars Hernquist, das ehemalige Mitglied am CfA Phil Hopkins und Desika Narayanan von der University of Arizona haben einen Weg gefunden, mit dem rechnerischen Dilemma umzugehen. Sie nutzen ein geschicktes Programm von Multiskalen “Zoom-ins”, was ihnen erlaubt, ausgewählte Gaspakete auf einem physikalisch durchgängigen Weg zu verfolgen und zu modellieren, während sie sich nach innen auf den Torus zubewegen. Ihre Simulationen führten zu zwei sehr wichtigen Schlußfolgerungen. Erstens zeigen sie, daß ein staubiger Torus vermutlich um das Schwarze Loch herum erzeugt wird – in der Vergangenheit wurde dies so festgelegt, um das unterschiedliche Er5scheinungsbild zu erklären, aber es wurde nie, auch nicht in einer Simulation, bewiesen. Zweitens zeigen die Wissenschaftler, daß der Torus nicht nur eine passive Abschirmung ist: er spielt eine aktive Rolle beim Zuführen von Gas und Staub auf die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch selbst.

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