Schlagwort: Quasar

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Das Universum im großen Maßstab

Diese Karte des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) zeigt die Struktur des Universums in großem Maßstab. In der Mitte ist die Erde. Die schwarzen Keile zeigen den Bereich, wo die Galaxis die Sicht versperrt.
Bildcredit: Claire Lamman/DESI collaboration; Text: Cecilia Chirenti (NASA GSFC, UMCP, CRESST II)

Diese Karte zeigt das Universum. Sie entstand mit dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). DESI führt astronomische Durchmusterungen mit Spektrographen an weit entfernten Galaxien durch. Es befindet sich am Nationalobservatorium auf dem Kitt Peak in Arizona. Nun schloss DESI seine geplante Durchmusterung des Himmels ab. Sie dauerte fünf Jahre. DESI beobachtete dabei mehr als 47 Millionen Galaxien und Quasare. Mitten in der 3D-Karte liegt die Erde.

Das Bild zeigt einen Querschnitt durch die Daten über und unter der Ebene unserer Galaxis. Die schwarzen Keile markieren Bereiche, wo unsere Milchstraße den Blick auf ferne Objekte verdeckt. Das federartige Netz im Einschub zeigt die großräumige Struktur des Universums. Das Licht der Galaxien, die hier am weitesten entfernt sind, war 11 Milliarden Jahre lang unterwegs, bis es die Erde erreichte. (Das Universum ist fast 14 Milliarden Jahre alt.)

Galaxien bilden im Laufe der kosmischen Geschichte Gruppen. Dafür sorgen die Einflüsse von Gravitation und Dunkler Energie, die miteinander konkurrieren. Die Dunkle Energie ist für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich. Albert Einstein beschrieb die sie als kosmologische Konstante. Erste Ergebnisse von DESI deuteten an, dass die Dunkle Energie vielleicht doch keine Konstante ist. Ihre Natur ist derzeit das größte Rätsel der Kosmologie.

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Die Einsteinkreuz-Gravitationslinse

Die sehr blasse Galaxie im Bild hat scheinbar vier sehr helle Kerne. Diese gehören jedoch nicht zur Galaxie, sondern sind das Licht eines Quasars, der weit dahinter liegt. Das Objekt ist als Einsteinkreuz bekannt.

Bildcredit und Lizenz: NSF, NOIRLab, AURA, WIYN; Bearbeitung: J. Rhoads (Arizona State U.) et al.

Die meisten Galaxien haben nur einen Kern. Hat diese Galaxie vier davon? Die Antwort auf diese Frage scheint eigenartig, aber der Schein trügt. Astronom*innen schließen aus diesem Bild, dass der Kern der umgebenden Galaxie überhaupt nicht sichtbar ist. Vielmehr stammt das Licht des „vierblättrigen Kleeblatts“ in der Mitte eigentlich von einem Quasar, der dahinter liegt.

Das Gravitationsfeld der vorne liegenden Galaxie lenkt die Lichtstrahlen des weiter entfernten Quasars um. Wir kennen das auch von optischen Linsen. Es kann dazu führen, dass man von einem Objekt vier Einzelbilder sieht. Diese Art von Trugbild erhalten wir nur, wenn ein Quasar und das Zentrum einer massereichen Galaxie genau in einer Sichtlinie liegen.

Wir kennen das Phänomen ist als Gravitationslinseneffekt. Die oben gezeigte Galaxie ist das Einsteinkreuz. Die einzelnen Abbildungen im Einsteinkreuz sind unterschiedlich hell, was vielleicht noch verwunderlicher ist. Einzelne Sterne der vorderen Galaxie üben durch ihre Gravitation einen zusätzlichen Mikrolinseneffekt aus, was die Helligkeit verstärkt.

Portal ins Universum: APOD-Zufallsgenerator

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Cir X-1: Strahlströme im Afrikanebel

Der Nebel erinnert ein bisschen an Afrika. Das komplizierte Radiobild zeigt Ringe und Strahlströme.

Bildcredit: J. English (U. Manitoba) und K. Gasealahwe (U. Kapstadt), SARAO, MeerKAT, ThunderKAT; Wissenschaft: K. Gasealahwe, K. Savard (U. Oxford) et al.; Text: J. English und K. Savard

Wie lange dauert es, ehe bei einem neu entstandenen Neutronenstern Strahlströme entstehen? Der Afrika-Nebel gibt uns darauf Hinweise: Dieser Supernova-Überrest umgibt Circinus X-1 (auch: Cir X-1). Das ist ein Neutronenstern, der Röntgenstrahlung aussendet. Auch seinen Begleitstern ist im Bild.

Das Bild stammt von der ThunderKAT-Arbeitsgemeinschaft am MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika. Es zeigt die helle Kernregion und eine keulenförmige Struktur der aktiven Strahlen von Cir X-1 im Nebel. Sein junges Alter beträgt gerade einmal 4600 Jahre. Damit könnte Cir X-1 die „kleine Schwester“ des Mikroquasars SS433* sein.

Aktuelle Entdeckungen werfen ein neues Licht auf die Geschichte des Systems: Aus einem ringförmigen Loch im oberen rechten Eck des Nebels steigen blasenartige Strukturen auf. Die Blasen und die Anwesenheit eines Rings links unten deutet darauf hin, dass es schon früher Strahlen gab. Simulationen mit Computern zeigen, dass diese Strahlströme schon 100 Jahre nach der Supernovaexplosion entstanden sind, und dass sie über 1000 Jahre lang aktiv blieben. Überraschend ist, dass diese Jets um vieles stärker sein müssten, um die beobachteten Blasen zu erzeugen, als man bisher bei jungen Neutronensternen vermutete.

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Eine Karte des beobachtbaren Universums

Ein Viertelkreis ist unten an der Spitze hell, geht von innen nach außen in rot über, dann blau, außen am Kreisbogen ist die Hintergrundstrahlung abgebildet.

Bildcredit und Bildrechte: B. Ménard und N. Shtarkman; Daten: SDSS, Planck, JHU, Sloan, NASA, ESA

Was wäre, wenn wir bis zum Rand des beobachtbaren Universums sehen könnten? Wir würden Galaxien hinter Galaxien sehen und dahinter nochmals Galaxien, und dahinter, nun ja, Quasare, das sind die hellen Zentren weit entfernter Galaxien.

Für ein besseres Verständnis der allergrößten Größenordnungen, die der Menschheit zugänglich sind, wurde eine Karte aller Galaxien und Quasare erstellt, die von 2000 bis 2020 mit der Sloan Digital Sky Survey (eine digitale Himmelsdurchmusterung) entdeckt wurden. Die Karte reicht bis zum Rand des beobachtbaren Universums.

Das Bild zeigt einen Keil der Karte mit ungefähr 200.000 Galaxien und Quasaren. Sie überblickt einen Zeitraum, der 12 Milliarden Jahre in die Vergangenheit reicht, das entspricht der kosmologischen Rotverschiebung 5.

Fast jeder Punkt im nahen unteren Teil der Illustration zeigt eine Galaxie. Die Rottöne zeigen die zunehmende Rotverschiebung und Entfernung. Ebenso zeigt fast jeder Punkt im obern Teil einen fernen Quasar. Blau schattierte Punkte sind näher als rote. Viele Entdeckungen zeigen deutlich, wie die Gravitation zwischen Galaxien dazu führte, dass sich das nahe Universum zu immer ausgeprägteren Faserstrukturen verdichtete als das ferne Universum.

Detailreichere Karte des heutigen APOD

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Illustration: Ein früher Quasar

Künstlerische Darstellung eines sehr Quasars im frühen Universum. In der Mitte ist ein heller Bereich, um den orangefarbenes und rotes Gas wirbelt. Nach links oben schießt ein heller Strahl.

Illustrationscredit und Lizenz: ESO, M. Kornmesser

Wie sahen die ersten Quasare aus? Von den Quasaren, die uns am nächsten sind, wissen wir heute, dass sie sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren aktiver Galaxien waren. Gas und Staub, die auf einen Quasar fallen, leuchten hell und überstrahlen manchmal ihre ganze Heimatgalaxie.

Doch Quasare aus den ersten Milliarden Jahren des Universums sind noch rätselhafter. Jüngste Daten machen diese künstlerische Darstellung möglich. Sie zeigt, wie ein Quasar aus der Frühzeit des Universums vielleicht aussah: Im Zentrum ist ein massereiches Schwarzes Loch, das von Hüllen aus Gas und einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Es stößt einen mächtigen Strahl aus.

Quasare gehören zu den fernsten Objekten, die wir sehen. Sie liefern der Menschheit einzigartige Information über das frühe Universum und den Bereich, der dazwischen liegt. Die ältesten Quasare, die wir derzeit kennen, haben eine Rotverschiebung von knapp 8 – das war nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Universum hatte nur ein paar Prozent seines heutigen Alters.

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Die Einsteinkreuz-Gravitationslinse

Das Einsteinkreuz im Sternbild Pegasus. Eine kleine schwache Galaxie mit vier hellen Punkten in der Mitte.

Bildcredit und Lizenz: J. Rhoads (Arizona State U.) et al., WIYN, AURA, NOIRLab, NSF

Beschreibung: Die meisten Galaxien haben einen einzigen Kern – hat diese Galaxie vier? Die seltsame Antwort führt Astronominnen und Astronomen zu dem Schluss, dass der eigentliche Kern der umgebenden Galaxie auf diesem Bild gar nicht sichtbar ist, sondern dass das Kleeblatt in der Mitte vielmehr Licht ist, das von einem Quasar im Hintergrund abgestrahlt wird. Das Gravitationsfeld der sichtbaren Galaxie im Vordergrund bricht das Licht des fernen Quasars in vier Einzelbilder.

Damit wir eine Fata Morgana wie diese sehen, muss der Quasar exakt hinter dem Zentrum einer massereichen Galaxie liegen. Der Effekt wird allgemein als Gravitationslinseneffekt bezeichnet, dieser spezielle Fall ist als Einsteinkreuz bekannt. Noch seltsamer ist, dass die relativen Helligkeiten der Bilder des Einsteinkreuzes schwanken, weil sie gelegentlich durch einen zusätzlichen gravitativen Mikrolinseneffekt einzelner Sterne in der Vordergrundgalaxie verstärkt werden.

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SS 433: Doppelstern-Mikroquasar


Animationscredit: DESY, Science Communication Lab

Beschreibung: SS 433 ist eines der exotischsten Sternsysteme, die wir kennen. Sein unscheinbarer Name entstand durch seinen Eintrag in einem Katalog von Milchstraßensternen, die eine für atomaren Wasserstoff charakteristische Strahlung aussenden. Sein auffälliges Verhalten stammt von einem kompakten Objekt – einem schwarzen Loch oder Neutronenstern –, um das sich eine Akkretionsscheibe mit Ausströmungen gebildet hat. Da die Scheibe und die Ausströmungen von SS 433 jenen um sehr massereiche schwarze Löcher in den Zentren ferner Galaxien ähneln, vermutet man, dass SS 433 ein Mikroquasar ist.

Dieses animierte Video basiert auf Beobachtungsdaten. Es zeigt einen massereichen, heißen, normalen Stern, der gemeinsam mit dem kompakten Objekt in einer Umlaufbahn gefangen ist. Zu Beginn des Videos sieht man, wie durch Gravitation Materie vom normalen Stern losgerissen wird, die auf eine Akkretionsscheibe fällt. Der Zentralstern stößt Strahlen aus ionisiertem Gas in entgegengesetzte Richtungen aus – mit jeweils etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.

Im nächsten Abschnitt zeigt das Video eine Aufsicht auf die ausströmenden Strahlen, die eine Präzessionsbewegung ausführen und dabei eine sich ausdehnende Spirale erzeugen. Danach sieht man die sich ausbreitenden Strahlen aus noch größerer Entfernung nahe dem Zentrum im Supernovaüberrest W50.

Vor zwei Jahren fand man mithilfe der HAWC-Detektoranordnung in Mexiko unerwartet heraus, dass SS 433 Gammastrahlen mit ungewöhnlich hoher Energie (im TeV-Bereich) aussendet. Doch es gibt weitere Überraschungen: Eine aktuelle Analyse von Archivdaten des NASA–Satelliten Fermi zeigt eine Gammastrahlenquelle, die – wie man hier sieht – von den Zentralsternen getrennt ist, und die aus bisher unbekannten Gründen Gammastrahlenpulse mit einer Periode von 162 Tagen aussendet – das entspricht der Präzessionsperiode der Strahlen von SS 433.

Lehrende und Studierende: Ideen für die Verwendung von APOD im Lehrsaal
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Neutrino trifft zeitgleich mit fernem Blazarstrahl ein

Links ist eine rotierende Scheibe in dunkle Wolken eingebettet. Daraus schießt ein Strahl nach rechts oben.
Illustrationscredit: DESY, Labor für Wissenschaftskommunikation

Unter dem Südpol der Erde sind Geräte tief im Eis eingefroren. Damit entdeckte man anscheinend ein Neutrino aus dem fernen Universum. Falls das bestätigt wird, ist das der erste eindeutige Nachweis von Neutrinos, die kosmologisch weit entfernt sind. Es wäre der Beginn eines beobachteten Zusammenhangs zwischen energiereichen Neutrinos und kosmischer Strahlung, die entsteht, wenn aus aufflackernden Quasaren (Blazare) mächtige Ströme schießen.

Der Detektor IceCube befindet sich in der Antarktis. Im September 2017 maß er ein energiereiches Neutrino. Gleich darauf suchten viele der größten Observatorien im sichtbaren Licht nach seinem Gegenstück. Und sie fanden es. Ein Gegenstück fand unter anderem das NASA-Observatorium Fermi im Weltraum. Der Gammastrahlen-Blazar TXS 0506+056 stand in der richtigen Richtung. Die Gammastrahlen eines Blitzes trafen fast gleichzeitig mit dem Neutrino ein. Diese Übereinstimmung von Position und Zeit ist statistisch stark, und es ist nicht die einzige. Dennoch warten Astronomys auf weitere ähnliche Zusammenhänge zwischen Neutrinos und Blazar-Licht, denn sie möchten ganz sicher gehen.

Diese Darstellung ist eine Illustration. Darauf strömt ein Teilchenstrahl aus einem Schwarzen Loch im Zentrum des Blazars.

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