Die meisten Galaxien sind Mittelmaß – wie unsere Milchstraße. Einige Dutzend oder hundert Milliarden Sterne kreisen um ein Zentrum, ungefähr jedes Jahr entsteht ein neuer Stern und etwa alle hundert Jahre explodiert ein alter. Wenige Prozent aller Galaxien jedoch sind zehn- bis über tausendmal heller als die „ normalen” und gelten daher als „aktiv”. Tatsächlich sind es wahre Energiemonster, die sich noch über Entfernungen von vielen Milliarden Lichtjahren im Teleskop erkennen lassen.
Im Lauf der letzten 60 Jahre haben Astronomen einen ganzen „ Zoo” solcher aktiven extragalaktischen Objekte entdeckt und erforscht (siehe Kasten „Extreme Exoten”). Die Situation wurde immer verwirrender, bis der Zoo aktiver Galaxien schließlich auf rund ein Dutzend Typen und Untertypen angewachsen war. Neue Forschungen haben endlich wieder Übersicht und Ordnung ins Reich der Exoten gebracht. Das Dickicht der extragalaktischen Erscheinungen hat sich gelichtet. Offenbar ist der galaktische Zoo eine Frage der Perspektive.
Alles begann 1989 mit einer kühnen Hypothese. Peter Barthel von der Universität Groningen waren bei der verwirrenden Typenvielfalt einige Gemeinsamkeiten aufgefallen. Er überlegte, ob es sich in Wahrheit nicht um eine einzige Galaxienform handelt, die je nach Blickwinkel unterschiedlich erscheint (bild der wissenschaft 5/1989, „Den rätselhaften Radioquellen auf der Spur”). Die neuen Erkenntnisse haben diese Idee nicht nur bestätigt, sondern sogar als noch viel umfassender erkannt.
Barthels Modell zur einheitlichen Beschreibung aktiver Galaxien basiert auf wenigen grundlegenden Komponenten: Im Zentrum sitzt ein Schwarzes Loch mit bis zu einer Milliarde Sonnenmassen. Es zieht aus der Umgebung Materie an, die in einer heißen Scheibe um die Schwerkraftfalle kreist. Durch Reibung verliert die Materie an Bewegungsenergie und strudelt langsam in das Schwarze Loch hinein. Hierbei sendet das heiße Gas energiereiche Strahlung aus, vor allem im Röntgen- und UV-Bereich sowie im sichtbaren Licht.
In der Umgebung der Schwarzen Löcher gibt es starke Magnetfelder. Sie beschleunigen Elektronen und lassen sie in Form zweier Jets senkrecht zur Scheibenebene in entgegengesetzten Richtungen ins All hinausschießen (bild der wissenschaft 7/2000, „ Feurige Jets”). Im Innern der Jets bewegen sich die Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und geben in Bewegungsrichtung eine charakteristische Strahlung ab: Ähnlich wie die Scheinwerfer eines Autos gebündelt nach vorne leuchten, breitet sich diese Synchrotronstrahlung nur in einem schmalen Kegel um die Jet-Achse aus.
Die entscheidende Komponente in dem Vereinheitlichungsmodell ist ein dicker Staubring, der nur wenige Lichtjahre vom Zentrum entfernt beginnt und mehrere Dutzend Lichtjahre breit ist. Er enthält so viel Staub, dass die heiße Scheibe in seinem Inneren nicht mehr sichtbar ist, sobald man auf die Kante dieses schlauchartigen Gebildes schaut.
Barthels Modell zufolge sind die unterschiedlichen Eigenschaften der aktiven Galaxien optische Täuschungen:
• Blickt man unmittelbar von oben auf eine solche Galaxie, so schaut man genau in den Jet. Es ist, als würde man im Dunkeln vom Strahl einer hellen Taschenlampe geblendet. Am Himmel sieht man dann nur einen intensiv leuchtenden Synchrotron-Punkt, einen „ Blazar”. Die schnellen Helligkeitsschwankungen erklären die Astronomen mit Unregelmäßigkeiten des Teilchenausstoßes in den Jet hinein.
• Schaut man unter wachsendem Winkel auf die Jetachse, nimmt die gemessene Intensität der gebündelten Synchrotronstrahlung immer weiter ab, und die Strahlung aus den Radioblasen dominiert immer mehr. Daher, so Barthel, sieht man einen „radiolauten” Quasar oder eine Radiogalaxie.
• Die Vereinheitlichungsanhänger gingen sogar noch weiter und behaupteten, Radiogalaxien seien eigentlich nichts anderes als radiolaute Quasare, bei denen der Staubring den Kernbereich völlig verdeckt – jede Radiogalaxie sei eigentlich ein verborgener Quasar.
Doch der Astronom Klaus Meisenheimer vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg war bis vor wenigen Monaten kritisch. „Ich konnte nicht glauben, dass sich ein Quasar – heller als tausend Galaxien – vollständig hinter Staub verbergen kann.” Anderen Astronomen erschien Barthels Modell als zu stark vereinfachend. Denn es berücksichtigt nicht den Entwicklungszustand der Galaxien und auch nicht, dass die Fütterungsrate des Schwarzen Lochs oder der Materiestrom im Jet von Objekt zu Objekt schwankt.
Trotz aller Bedenken fanden Meisenheimer und seine Kollegen am Max-Planck-Institut und an der Universität Bochum vor wenigen Monaten ein überzeugendes Indiz für das Vereinheitlichungsmodell. Sie waren von folgender Überlegung ausgegangen: Das Licht der heißen Scheibe wird von den Staubteilchen des umgebenden Rings verschluckt, weswegen die Scheibe selbst beim Blick auf die Ringkante nicht sichtbar ist. Gleichzeitig erwärmen sich die Teilchen im Staubtorus, sodass sie nun ihrerseits Wärmestrahlung im Infraroten abgeben. Je langwelliger diese Strahlung ist, desto besser kann sie den Staub durchdringen. Bei Wellenlängen ab etwa 20 Mikrometer sollte selbst die dichte Staubscheibe vollkommen durchlässig werden, sodass die Strahlung in alle Richtungen gleichmäßig ins All entweichen kann. Mit anderen Worten: Quasare und die Zentren von Radiogalaxien sollten im mittleren und fernen Infrarot nicht unterscheidbar sein, egal aus welchem Blickwinkel man sie beobachtet.
Erste Versuche, diese Voraussage mit dem Infrarotsatelliten IRAS zu überprüfen, waren Anfang der neunziger Jahre fehlgeschlagen. Nun bot das europäische Infrarot-Observatorium ISO eine neue Chance. Mit der am Heidelberger MPI gebauten Kamera an Bord des Satelliten ließen sich erstmals Himmelskörper in dem entscheidenden Wellenlängenbereich beobachten.
Mit ISO studierten die Astronomen zehn Quasare und zehn Radiogalaxien. Ihre Auswahl trafen sie so, dass jeweils ein Quasar-Radiogalaxien-Paar in derselben Entfernung von uns steht und beide im Radiobereich gleich intensiv strahlen. Damit stellten die Forscher sicher, dass die Mitglieder eines Paares gleich alt sind und etwa gleich viel Gesamtenergie ausstoßen.
Diese Beobachtungen zeigten jetzt erstmals, dass sowohl Radiogalaxien als auch radiolaute Quasare im Infraroten enorm hell sind. Vor allem: Im paarweisen Vergleich sind beide Objekttypen nicht zu unterscheiden – genau so, wie es Barthels Vereinheitlichungsmodell 1989 vorhersagte. Der Staub besitzt Temperaturen zwischen einigen Dutzend und mehreren hundert Kelvin (Grad über dem absoluten Nullpunkt) und strahlt allein im Infraroten bis zu 1000-mal mehr Energie ab als die Milchstraße.
Darüber hinaus deutet sich in den Messdaten ein interessanter Trend an: Je weiter die Quasare und Radiogalaxien von uns entfernt sind, desto heller strahlen sie im Infraroten. Dies lässt sich als Entwicklungseffekt deuten, wenn man berücksichtigt, dass der tiefe Blick ins All gleichzeitig ein Blick zurück in die Vergangenheit ist.
Im frühen Universum standen die Galaxien noch enger beisammen, und es kam häufiger zu nahen Vorbeiflügen und Zusammenstößen. Dadurch strömte häufiger Materie in die Zentren der Galaxien und stürzte in die Schwarzen Löcher. Deshalb erhöhte sich die Intensität der Strahlung im Kernbereich und damit auch die Infrarotstrahlung des Staubrings. Mit der Ausdehnung des Universums wurden die galaktischen Kollisionen immer seltener. Die Schwarzen Löcher bekamen weniger Nahrung, und die Aktivität in der umgebenden Scheibe ließ nach.
Diese Theorie passt auch zu einer anderen Beobachtung: Die entferntesten Quasare sehen die Astronomen zu einer Zeit, als das Universum erst etwa 700 Millionen Jahre alt war. Sie sind die ältesten bekannten Himmelskörper. Seitdem entstanden immer mehr Quasare. Anderthalb Milliarden Jahre nach dem Urknall erreichte ihre Dichte den Höhepunkt. Als Folge der Ausdehnung des Weltraums sank die Dichte dann wieder ab.
Weitere Messungen von ISO haben belegt, dass die Seyfert-Galaxien (siehe Kasten „Extreme Exoten”) sich ebenfalls kaum von Quasaren unterscheiden und dass die beiden bekannten Seyfert-Typen nur zwei Seiten derselben Medaille sind. Jean Clavel und Bernhard Schulz vom ISO-Datenzentrum im spanischen Villafranca haben erstmals die Infrarotstrahlung spektral zerlegen können. Das ermöglichte es ihnen, Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe zu beobachten. Diese großen Moleküle können nur in staubreichen Gebieten existieren und sind somit eine Art Markierungsstoff für die vermuteten Staubringe in aktiven Galaxien.
Diese neuen, an fast 60 Seyfert-Galaxien beider Typen gewonnenen Beobachtungen zeigen eine Reihe von Gemeinsamkeiten, die sich im Rahmen des Vereinheitlichungsmodells sehr gut erklären lassen. Demnach nimmt man immer dann eine Seyfert-1-Galaxie wahr, wenn man fast genau von oben auf das Sternsystem schaut – ähnlich wie bei den Blazaren, die allerdings viel heller strahlen. Beim Blick auf die Kante zeigt sich dagegen eine Seyfert-2-Galaxie. Betrachtet man in einem mittleren Winkel ein solches Objekt, verdeckt der vordere Teil des Staubrings das heiße Gas in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Lochs. Schwach ist es aber doch sichtbar, weil der hintere Rand des Rings das Licht schwach reflektiert.
Damit scheinen die Seyfert-Galaxien baugleiche, aber harmlose Brüder der Quasare und Radiogalaxien zu sein, die allerdings einige 100- bis 1000-mal mehr Energie abstrahlen. Der Grund für diesen Unterschied liegt wohl in der verschiedenen Gefräßigkeit der Schwarzen Löcher im Zentrum. Rein rechnerisch müssen sie jährlich Materie mit der Masse von bis zu 1000 Sonnen verschlucken, um die bei Quasaren gemessene Strahlung zu erzeugen. Bei Seyfert-Galaxien reicht bereits eine Zehntel Sonnenmasse aus.
Mittlerweile ist auch Klaus Meisenheimer davon überzeugt, „ dass das Vereinheitlichungsmodell im Prinzip stimmt”. Doch es bleiben Fragen offen. So ist keineswegs klar, warum einige aktive Galaxien einen Jet erzeugen, andere aber nicht. Bekannt ist auch, dass in manchen Galaxien mit aktivem Kern mehr Sterne entstehen als etwa in der Milchstraße. Hängt das ursächlich zusammen? Und welche Rolle spielen die gigantischen Schwarzen Löcher bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien? Sind sie vielleicht die Geburtshelfer der Galaxien, also auch unserer Milchstraße?
Diesen Rätseln und Hypothesen werden die Astronomen mit den Teleskopen der nächsten Generation nachgehen. Schon in ein oder zwei Jahren wollen sie mit dem Infrarot-Interferometer des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte auf dem Berg Paranal in Chile, das derzeit noch im Bau ist, ins Herz der aktiven Galaxien schauen. Und ab 2007 können sie voraussichtlich das neue europäische Infrarot-Weltraumteleskop Herschel für ihre kosmischen Studien einsetzen.
Rund ein Dutzend seltsamer Objekte bevölkern die fernen Regionen des Weltraums. Auf den ersten Blick haben sie nur gemeinsam, dass sie viel mehr Energie abstrahlen als gewöhnliche Galaxien. Ihre wahre Natur gab den Astronomen seit Jahrzehnten Rätsel auf.
• Seyfert-Galaxien werden nach ihrem Entdecker Carl Seyfert benannt und kommen in zwei Typen vor. 1943 waren dem amerikanischen Forscher an der Vanderbilt-Universität in Nashville, Tennessee, Spiralgalaxien mit Zentralbereichen aufgefallen, die heller leuchten als alle Sterne der Milchstraße zusammen. Heiße Gaswolken wirbeln mit Geschwindigkeiten bis zu einigen tausend Kilometern pro Sekunde um das Zentrum herum.
• Radiogalaxien wurden zur selben Zeit von dem amerikanischen Rundfunktechniker Grote Reber entdeckt, als er mit dem ersten Radioteleskop starke Signale aus dem Sternbild Schwan registrierte. Die wahre Natur dieser Radiogalaxie namens Cygnus A wurde allerdings erst viele Jahre später erkannt: Aus ihrem Zentrum schießen zwei Teilchenstrahlen in entgegengesetzten Richtungen ins All. In 650 000 Lichtjahren Entfernung vom Galaxienkern verwirbeln sie zu riesigen Gasblasen und senden die beobachtete Radiostrahlung aus („Radioblasen”). Astronomen kennen heute Radiogalaxien mit bis zu einer Million Lichtjahre langen Jets.
• Quasare sind die energiereichsten Objekte im All. Entdeckt hat sie in den sechziger Jahren der am Mount Palomar arbeitende holländische Astronom Maarten Schmidt. Heute wissen die Forscher, dass Quasare in einem Gebiet von der Größe des Sonnensystems bis zu 10 000-mal mehr Energie erzeugen als alle Sterne der Milchstraße zusammen. Einige Quasare strahlen auch im Radiobereich intensiv, andere hingegen nicht – und das, obwohl sich die radioleisen Quasare von den radiolauten im Bereich des sichtbaren Lichts nicht sonderlich voneinander unterscheiden.
• Blazare, die im Teleskop wie Sterne aussehen, leuchten ebenfalls sehr intensiv, vor allem im Radiobereich. Sie unterscheiden sich von den radiolauten Quasaren vor allem dadurch, dass ihre Helligkeit innerhalb von Stunden oder Tagen erheblich schwanken kann.
Kompakt
• Quasare, Blazare, Seyfert-Galaxien, Aktive Galaktische Nuclei und Radiogalaxien machen sich durch ihre ungeheueren Energien über Milliarden Lichtjahre hinweg bemerkbar.
• Nach langem mühevollen Suchen gelang der Nachweis, dass all die bizarren Exoten zum selben Typ kosmischer Objekte gehören – lediglich betrachtet aus unterschiedlichen Blickwinkeln.
bdw-Community
Lesen
Heather Couper, Nigel Henbest
Der Weltraum
Planeten, Sterne, Galaxien
Doring Kindersley 2000, DM 79,90
INTERNET
ISO-Messungen:
sci.esa.int/content/news/index.cfm?aid=18&cid=12&oid=27058
Eigenschaften aktiver Galaxien:
imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/
know_l1/active_galaxies.html
Online-Lehrbuch über Galaxien:
www.astronomynotes.com/galaxy/
chindex.htm
Thomas Bührke
