Max-Planck-Institut für Astronomie - Jahresbericht 2007

48 II. Highlights
FeII / MgII
14
12
10
8
6
4
2
0
0
Dietrich et al. 2003
Maiolino et. al. 2003
Freudling et. al. 2003
Iwamuro et. al. 2004
Barth et. al. 2003
This work
Iwamuro et al. 2002
Thompson et al. 1999
1 2 3 4 5 6
Rotverschiebung z
Abb. II.6.4: Das Linienverhältnis Fe II/Mg II in Abhängigkeit
von der Rotverschiebung z. Die fünf Werte der neuen Studie
um z 6 sind mit einem Kreuz im Kreis (gelb) dargestellt.
nach sich selbst bei großen Rotverschiebungen kein
Entwicklungstrend abzeichnet. Da das Universum bei
z 6 etwa 900 Millionen Jahre alt war, muss die Anreicherung
mit schweren Elementen bereits zuvor sehr
weit fortgeschritten gewesen sein. Nimmt man eine typische
Anreicherungszeit von 300 Millionen Jahren an,
so muss die Ära der Sternentstehung bereits bei Rot verschiebungen
jenseits von z 8 eingesetzt haben. Dieses
Ergebnis setzt Maßstäbe für zukünftige Versuche, die erste
Sterngeneration (Population III) nachzuweisen.
Die Massen der zentralen Schwarzen Löcher
Wie eingangs geschildert, ist die Entwicklung der zentralen
Schwarzen Löcher eng an die der Galaxien gekoppelt.
Die Entwicklung der Massen der Schwarzen
Löcher könnte Aufschluss über diese noch unbekannte
Wechselbeziehung geben. Aus den neuen Daten lassen
sich diese Massenwerte auf drei unterschiedliche Arten
ermitteln.
1. Die direkteste Methode besteht darin, die gesamte bolometrische
Leuchtkraft der Quasare zu bestimmen.
Nimmt man nun an, dass das Schwarze Loch mit der
maximal möglichen Rate Materie aus der Umgebung
aufsammelt, so halten sich der Strahlungsdruck
und die Schwerkraft die Waage. Man spricht dann
von der Eddington-Leuchtkraft, mit der der Quasar
strahlt. Setzt man die Eddington-Leuchtkraft gleich
der bolometrischen Leuchtkraft, so erhält man die
minimale Masse, die das Schwarze Loch haben
muss, um diese Energie abstrahlen zu können.
2. Eine andere Methode beruht darauf, dass das
Schwarze Loch von einer Gasregion umgeben ist, in
der die Emissionslinien des Quasars entstehen. Diese
Region nennt man Broad Line Region (BLR), weil
die Linien durch die schnelle Rotation dieser Re-
gion stark verbreitert sind. Die Zentralmasse ergibt
sich dann aus dem Radius der BLR und der
Geschwindigkeit des darin befindlichen Gases. Beide
Größen lassen sich unter gewissen Annahmen aus
dem Spektrum, insbesondere aus der Mg II-Li nienbreite,
ableiten.
3. Eine dritte Methode beruht auf einer empirischen
Relation zwischen der Zentralmasse und der Kontinuumsleuchtkraft
bei 135 nm Wellenlänge und der
C-IV-Linienbreite. Auch hier gehen Eigenschaften
der BLR ein.
Alle drei Methoden wurden auf die Spektren der fünf
Quasare angewandt. Da sie alle gewisse Unsicherheiten
haben, liefern sie erwartungsgemäß auch unterschiedliche
Massen (typischerweise um Faktoren zwei bis drei
verschieden), wobei die C-IV-basierte Methode durchweg
die größten Werte ergab. Insgesamt ergab sich ei ne
Spanne von 300 Millionen bis 5.2 Milliarden Son nenmassen.
Die 300 Millionen Sonnenmassen stellen den
kleinsten bislang bei hoch rotverschobenen Quasaren gemessenen
Wert dar. Dennoch ergaben sich überwiegend
sehr hohe Massenwerte, was auf ein rasches Wachstum
der supermassereichen Schwarzen Löcher nach dem
Urknall hindeutet. Zum Vergleich: Das Schwarze Loch
im Zentrum unserer Galaxis hat eine Masse von nur 3,6
Millionen Sonnenmassen. Dieses Phänomen des schnellen
Wachstums zu erklären, gehört zu den vornehmsten
Aufgaben der Kosmologie.
In diesem Zusammenhang wäre es sehr interessant
herauszufinden, ob bei diesen hochrotverschobenen
Quasaren die eingangs erwähnten Korrelationen
zwi schen den Massen der Schwarzen Löcher und den
Massen beziehungsweise Geschwindigkeitsdispersionen
der Bulges Gültigkeit besitzt – eine schwer zu beantwortende
Frage, weil die entsprechenden Messdaten dieser
extrem weit entfernten Quasare noch recht ungenau
sind. Die Massen der Bulges lassen sich mit Hilfe von
Beobachtungen des molekularen Gases in den Galaxien
abschätzen, wie Dominik Riechers 2006 zeigen konnte
(Jahresbericht 2006, S. 40).
Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die
hoch rotverschobenen Galaxien von der bekannten Relation
zwischen den Massen der Schwarzen Löcher und den
Massen beziehungsweise Geschwindigkeitsdispersionen
der Bulges abweichen. Danach hat es den Anschein, als
hätten sich die Schwarzen Löcher schneller entwickelt
als die Galaxienbulges. Doch sind die Ergebnisse noch
umstritten, und Computersimulationen können zudem
noch keine klaren Voraussagen liefern.
Falls sich diese ersten Vermutungen bestätigen, so
schließen sich sofort faszinierende Fragen an: Waren erst
die Schwarzen Löcher da und bildeten sich dann erst die
Galaxien? Wirkten die Schwarze Löcher womöglich als
»Kondensationskeime«, um die herum sich die Galaxien
formierten? Forschergruppen des MPIA gehen diesen
spannenden Frage nach, erste Ergebnisse werden in naher
Zukunft erwartet.