Astronomie bei AstroTrekking von Jens Klare

Der Quasar 3C345

Eine spannende Geschichte: Die größten Teleskopen dieser Welt entreißen den größten Energie-Monstern des Universums, ihre letzten Geheimnisse.

Die hier gezeigte "Aufnahme" des Quasars 3C345 habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit angefertigt. An dieser Stelle möchte ich über diese faszinierenden gewaltigsten Energie-Monster des Universums und unsere mächtige Beobachtungstechnik mit einem Riesen-Teleskop welches 4 mal so groß ist wie unsere Erde, allgemeinverständlich berichten. Am Ende gibt es eine Überraschung, die wir selbst so nicht erwartet hatten. (Einige Bilder können durch anklicken vergrößert werden)

Quasare: Die gewaltigsten Energie-Monster des Universums

Manche Galaxien strahlen in ihrem Kernbereich 100-1000 mal heller als alle in dieser Galaxie vorhandenen Sterne zusammen. Dabei ist dieser Kernbereich gerade mal so groß wie unser Sonnensystem, d.h. nur ca. ein 300 Millionstel der Größe der gesamten Galaxie. Diese winzigen Galaxienkerne sind durch ihre immense Helligkeit auch noch in extremen Entfernungen sichtbar, wohingegen die Sterne der Galaxie oftmals zu schwach sind, um mit Teleskopen gesehen zu werden. Auf den ersten astronomischen Aufnahmen sahen diese Objekte deshalb wie Sterne (also punktförmig) aus, aber ihre Entfernungsbestimmungen ergaben, daß es sich um Objekte handeln muß die Milliarden von Lichtjahren (1 Lichtjahr ist die Entfernung die das Licht in einem Jahr zurücklegt) von unserer Heimatgalaxie entfernt liegen. Somit konnten es keine Sterne sein (obwohl sie so aussahen), sondern es handelte sich um bis dahin völlig unbekannte astronomische Objekte. Deshalb sind auch die Begriffe QUASAR und QSO entstanden, was soviel heißt wie Quasi-Stellare-Radioquelle bzw. Quasi-Stellares-Objekt. Auf dem nächsten Bild sieht man den Quasar 3C345 als hellen Punkt in der Bildmitte, aufgenommen mit dem Hubble-Space-Teleskop. Die diffuse "Wolke" um den hellen Punkt herum sind die rund 100 Milliarden Sterne der Galaxie.

HST Bild von 3C345

Eine der drängensten Fragen der Astronomen war es, wie aus einem so winzigen Kerngebiet eine so ungeheuer große Energie freigesetzt werden kann. Heute sind sich die Astronomen zu 99,9% sicher, daß diese Energie nur durch Umwandlung von Gravitationsenergie erzeugt werden kann. Der eigentliche "Motor" ist ein super-massives Schwarzes Loch, welches unaufhörlich Materie (z.B. Sterne) verschlingt. Hierbei werden die Sterne völlig zerrissen und kreisen als Materie in einer Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch herum (so ähnlich wie der Wasserstrudel um den Badewannenabfluß). Diese Akkretionsscheibe ist im nächsten Bild als orange-gelber Strudel dargestellt. Bevor das Schwarze Loch die Materie endgültig verschlingt, wird diese so sehr beschleunigt und erhitzt, daß sie so hell leuchtet wie 1 Billionen Sonnen zusammen. Ein Stern wie unsere Sonne, der normalerweise rund 10 Milliarden Jahre "lebt", wird von solch einem Schwarzen Loch in weniger als einem Jahr komplett verspeist. Solange es Futter für das Schwarzes Loch gibt, wächst es unaufhörlich und kann die Masse von ein paar Milliarden Sonnen erreichen.

Würde man so ein super-massives Schwarzes Loch "herstellen" wollen, müßte man rund 1 Billiarde Erden in einem Gebiet so groß wie unser Sonnensystem, zusammenpressen.

(Künstlerisches Bild: Durch das Zusammenschalten von Radioteleskopen auf der Erde mit dem Weltraum-Radioteleskop HALCA ergibt sich ein Riesen-Teleskop mit 4-fachem Erd-Durchmesser, angedeutet durch die blaue Teleskop-Fläche. Das Weltraum-Radioteleskop, oben rechts, ist hier vergrößert dargestellt und hat einen Durchmesser von 8m. Das hier gezeigte Bild stammt von der VSOP Homepage)

Die dramatische Verbesserung der Auflösung, durch Hinzunahme des Weltraum-Teleskops HALCA, zusätzlich zu den 38 Teleskopen auf der Erde, ist im nächsten Bild links zu sehen. Die Auflösung konnte um das drei bis vierfache erhöht werden und das bestechende Ergebnis ist sofort zu erkennen! Während die rechte Aufnahme der erdgebundenen Radioteleskope den Entstehungsort des sichtbaren Jets als eine Ellipse erkennen läßt (im rechten Bild der runde rote Bereich), kann man mit Hinzunahme des Weltraum-Radioteleskops in diesen Bereich hinein zoomen. Es handelt sich also nicht bloß um ein kompaktes Gebiet im Jet, sondern um mehrere Plasma-Komponenten, welche als orange und türkise Ellipsen sichtbar gemacht werden können. In den nächsten Abschnitten zeige ich, wie wir durch die Untersuchung dieser Plasma-Komponenten dem Quasar 3C345 ein ungewöhnliches Geheimnis entlocken konnten!

Quasar 3c345 mit Weltraum- und Boden- VLBI

Plasma-Komponenten schießen herraus

Wir haben den Quasar 3C345 über viele Jahre hinweg immer wieder mit unserer mächtigen Beobachtungsmethode angeschaut und konnten dadurch das herausschießen verschiedener Plasma-Komponenten (Blobs) nachweisen. Sehr gut zu sehen ist die Bewegung dieser Blobs bei vier Beobachtungen von November 1997 bis August 1999, welche im folgenden Bild dargestellt sind. Um die Bewegung der Komponenten besser erkennen zu können, wurde jeweils die gleiche Komponente (z.B. C9) zwischen den vier Beobachtungen durch rote Linien verbunden. Ganz links ist der stationäre Kern zu erkennen und rechts davon die Komponenten C7-C10. Wenn man die Beobachtung von Januar 1998 mit der von Februar 1999 vergleicht, sieht man sehr deutlich, daß die Komponenten C9 und C10 nicht auf einer Linie mit dem Kern liegen. Vielmehr hat jede Plasma-Komponente ihre eigene Bahn. Diese Erkenntnis wird es u.a. sein, die diesem Quasare sein Geheimnis entlockt... in wenigen Minuten werde ich auch zeigen warum...

Neben den kinematischen Bahnen der Komponenten ist natürlich auch ihre Helligkeit extrem wichtig. Die gewählten Farben in diesem Bild entsprechen der Radio-Helligkeit des Jets, und wurden von "stark" nach "schwach" folgendermaßen kodiert: weiß - rot - gelb - grün - blau - violett. Somit sieht man z.B., daß die Komponente C9 von Januar 1988 bis August 1999 immer schwächer wurde. Die Messung dieser Beobachtungsgröße liefert einen weiteren wichtigen Parameter um mehr über diesen Quasar zu lernen.

Ein FILM des Plasma-Jets im Quasar 3C345

Bevor ich zu der spannenden Frage komme, was hinter diesem Quasar steckt, möchte ich an dieser Stelle noch schnell einen Eindruck vermitteln wie das Plasma aus dem Kernbereich herausgeschossen wird. Da wir inzwischen eine groß Anzahl von Beobachtungen dieses Quasars haben, ist es möglich diese zu einem Film zusammenzufassen. Mit wenigstens drei (besser mehr) Beobachtungen pro Jahr kann leicht zwischen den einzelnen Bildern interpoliert werden, so daß hieraus ein Film entsteht. Die Farben wurden so gewählt, daß ein "Gefühl" für das ausströmende Plasma entsteht. Je heller die Farbe, desto heller ist auch die jeweilige Komponente bzw. der Kern. Durch einen Klick auf das folgende Bild wird der Film als animiertes gif (1.2MB) geladen und gestartet.

Die Entdeckung des Unerwarteten im Quasar 3C345

1. Eine Besonderheit dieses Jets ist, daß er nahezu auf uns zu zeigt, und somit für uns viel kürzer erscheint als er in Wirklichkeit ist. Hieraus ergibt sich ein sehr merkwürdiger Effekt. Die Plasma-Komponenten bewegen sich scheinbar(!) mit 3 bis 20-facher Lichtgeschwindigkeit, weshalb man auch von "superluminal motion" spricht. Aber Achtung: Die Plasma-Komponenten bewegen sich in dem Jet selbst "nur" mit etwa 99.9% der Lichtgeschwindigkeit. Da der Jet aber fast auf uns zu zeigt und sich die Komponenten fast mit Lichtgeschwindigkeiten bewegen, ergibt sich diese scheinbare Überlichtgeschwindigkeit aus einem Projektionseffekt. Weiterhin haben wir herausgefunden, daß die Plasmakomponenten beschleunigt werden, bis sie ihre individuelle maximale Geschwindigkeit erreicht haben.

2. Die Komponenten des Plasma-Jets folgen gekrümmten Bahnen, welche in dem folgenen Bild für die Komponenten C4-C11 dargestellt sind. Vom linken oberen bis zum rechten unteren Quadranten ist dies quasi ein Zoom in den Jet, da die jüngeren Komponenten (z.B. C10) noch nicht so einen weiten Weg zurückgelegt haben wie die älteren (z.B. C4 und C5). Auf den ersten Blick sehen die Bahnen alle verschieden aus, aber auf den zweiten Blick sieht man, daß die Bahnen von C5 und C8 sehr ähnlich sind (oberer rechter Quadrant). Bemerkenswert ist, daß C8 gleiche Bahnpunkte (Z.B. den Umkehrpunkt) ca. 9 Jahre nach C5 durchlaufen hat. Wie wir in wenigen Minuten sehen werden, ist diese Entdeckung sehr wichtig! Übrigens, wenn man die Bahnen der Plasma-Komponenten in das 3-dimensionale Bezugssystem des Jets umrechnet, bewegen sich die Komponenten auf einer Helix, vergleichbar mit der DNA (der Erbsubstanz des Lebens).

3. Die Plasma-Komponenten bewegen sich nicht nur auf verschiedenen Bahnen, sondern sie werden auch in unterschiedliche Richtungen ausgestoßen. D.h., manche Komponenten werden mehr nach "oben" und manche mehr nach "unten" ausgestoßen. Für die Komponenten C4-C11 konnte ich diesen Ausstoß-Winkel bestimmen und zu meiner großen Überraschung verändert sich dieser mit einer Periode von ca. 9 Jahren! Zudem scheint der Ausstoß-Winkel im Mittel um 2.5 Grad pro Jahr größer zu werden! ... jetzt sind wir fast am Ziel ...

4. Motiviert durch die Entdeckungen, daß die Bahn C8 neun Jahre nach C5 mit dieser ähnlich war, und daß der Ausstoß-Winkel eine Periode von 9 Jahren zeigte, habe ich die maximale Fluss-Dichte (also die Helligkeit) der Komponenten untersucht. Jede Komponente wird nach ihrem Erscheinen erst heller und dann dunkler. Für die Komponenten C10 und C11 konnte ich sogar 2 solcher Maxima beobachten. Nachdem ich diese maximalen Fluss-Dichten gegen die Zeit aufgetragen hatte, ergab sich wiederrum eine Periode von ca. 9 Jahren! Da der Jet aus einem Plasma besteht, welches sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird die Strahlung durch einen relativistischen Effekt verstärkt, wenn sich das Plasma auf uns zu bewegt. Im Gegensatz dazu wird die Strahlung schwächer wenn sich so eine Plasma-Komponente von uns wegbewegt. Da ich in den Strahlungsmaxima der Jet-Komponenten eine 9 jährige Periode gefunden hatte, kann diese nur durch eine periodische geometrische Veränderung des Jets verursacht werden. ..... aber wie paßt das jetzt alles zusammen???

Das Geheimnis des Quasars 3C345

Nachdem wir all unsere Daten zusammengetan haben und etliche Rechnungen, Diskussionen und Überlegungen folgten, glauben wir zu wissen was es mit dem Quasar 3C345 auf sich hat. Scheinbar handelt es sich hierbei nicht um einen gewöhnlichen Quasar mit einem super-massiven Schwarzen Loch. Vermutlich ist die Heimatgalaxie dieses Quasars aus der Verschmelzung zweier Galaxien hervor gegangen und, von denen jede ein eigenes super-massives schwarzes Loch in ihrem Innern hatte. Beide Schwarzen Löcher können bei diesem Prozeß ein gravitativ gebundenes System geformt haben, in welchem das schwerere der beiden Schwarzen Löcher eine Akkretionsscheibe hat die den Jet produziert. Das zweite, etwas leichtere, Schwarze Loch zerrt an dem Größeren und zwingt dieses zu einer periodischen Orbitalbewegung (Nächstes Bild). Wenn man die Umlaufzeit dieser Orbitalbewegung relativistisch korrigiert, kommt man auf eine beobachtbare Periode von 9 Jahren. Zudem führt die Akkretionsscheibe durch das zweite Schwarze Loch eine Präzessionsbewegung durch (Ähnlich dem Taumeln eines Kreisels). Hierdurch ändert sich langsam der Ausstoß-Winkel der Jet-Komponenten. Die Berechnungen ergeben, daß diese Taumelbewegung sehr gut mit dem beobachteten Anstieg des Ausstoß-Winkels um 2.5Grad/Jahr übereinstimmt.

Nur durch die mächtige VLBI-Beobachtungstechnik der Radioastronomen ist es möglich, dem Universum solch neuen Erkenntnisse zu entreißen. In Zukunft wird die VLBI Technik weiterentwickelt werden, um mit noch höherer Auflösung und noch besserer Empfindlichkeit weitere Geheimnisse des Universums zu entdecken. Der Interferometrie auf langen Basislängen gehört sicherlich die Zukunft.

Es geht noch dichter ran ans Zentrum

Vielleicht ist der Quasar 3C345 gar nicht so ein Sonderling, und in vielen Quasaren und Galaxien schlummern zwei und mehr super-massive Schwarze Löcher. Neue VLBI-Beobachtungen bei Wellenlängen von 3.4mm erlauben einen noch näheren Blick an das Zentrum dieser gewaltigsten Energie-Monster des Universums. Mit dieser enormen Auflösung wäre es im Prinzip möglich eine Bierflasche auf dem Mond zu erkennen. Vielleicht werden weiterführende Beobachtungen zeigen, daß die 9-jährige Periode im Quasar 3C345 eine ganz andere Ursache hat??? Das Universum ist sicherlich noch voll von vielen faszinierenden Überraschungen, die von uns Astronomen entdeckt werden können.

Veröffentlichungen:

Die von mir gemachte "Aufnahme" des Quasars 3C345 wurde unter anderem hier veröffentlicht:

Quasar 3C345, Highlight Poster VSOP, Jens Klare

Quasar 3C345, Kalender Japan, Jens Klare

Oben Links: Artikel in Science, Volume 287, 18 February 2000, Page 1195
Oben Mitte: Highlight Poster der VSOP Mission (Weltraum Mission für Interferometrie auf langen Basislinien)
Oben Rechts: Japanischer Kalender 2001 des Institute of Space and Astronautical Science, Sagamihara, Japan
Unten Links: Werbe-Poster für Weltraum-Interferometrie auf langen Basislinien
Unten Rechts: Konferenz Buch: Astrophysikalische Phänomene enthüllt durch Weltraum-Interferometrie auf langen Basislinien

Meine wissenschaftlichen Veröffentlichungen über diese Beobachtungen können hier eingesehen werden:

A sharper view into the parsec-scale jet of 3C345 (pdf, 444Kb)
The quasar 3C345 at highest resolution with mm- and space-VLBI (pdf, 296Kb)
Quasi-Periodic Changes in the Parsec-Scale Jet of 3C345 (pdf, 75Kb)

Link zu meiner Doktorarbeit auf dem Server der Universität- und LandesBibliothek Bonn:

Titel der Doktorarbeit:

Quasi-Periodicity of the Parsec-Scale Jet in the Quasar 3C345
- A High Resolution Study using VSOP and VLBA -

(Die Arbeit ist dort sowohl komplett (pdf, 11.5 MB) als auch in Kapiteln unterteilt abrufbar. Wer eine langsame Internetverbindung hat kann sich somit über das File "Content" einen Überblick über die Arbeit verschaffen, und dann gezielt ein entsprechendes Kapitel aussuchen.)

pdf: Die Veröffentlichungen und die Doktorarbeit liegen im pdf-Format vor. Mit dem kostenlosen

von Adobe können die Dateien angezeigt und ausgedruckt werden.

Der Quasar 3C345

Eine spannende Geschichte: Die größten Teleskopen dieser Welt entreißen den größten Energie-Monstern des Universums, ihre letzten Geheimnisse.

Quasare: Die gewaltigsten Energie-Monster des Universums

Mächtige Plasma-Strahlen schießen aus Quasaren

Ein Welt-Teleskop so groß wie die Erde

Das Welt-Teleskop nähert sich dem Monster

Die Welt ist nicht genug! - Ein Teleskop 4 mal so groß wie die Erde -