Max-Planck-Institut für Astronomie - Jahresbericht 2007

74 III. Ausgewählte Forschungsgebiete
III.2 In welchen Galaxien leben Quasare?
Warum gibt es eine feste Beziehung zwischen der Masse
des riesigen Bulge einer Galaxie und der viel geringeren
Masse ihres nahezu punktförmigen, wenn auch
»supermassereichen« zentralen Schwarzen Lochs – als
wüsste das Schwarze Loch etwas von der Galaxie, in
der es lebt? Warum gibt es eine Zweiteilung der Ga laxien
in Elliptische und Spiralen, aber recht wenige Galaxien
dazwischen?
Diese beiden Fragen könnten eine gemeinsame Antwort
haben: Die Energie, die ein supermassereiches Schwarzes
Loch während seiner Wachstumsphase in Form von
Strah lung abgibt, reicht im Prinzip dazu aus, die Galaxie,
in deren Zentrum es sitzt, auseinanderzureißen. Auch
wenn dies nicht geschieht, wird möglicherweise durch
in Strahlung umgesetzte Akkretionsenergie Gas aus der
Ga laxie herausgeblasen und dadurch nicht nur weitere
Sternentstehung in der Galaxie, sondern auch das weitere
Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs unterdrückt.
Durch eine solche Rückkopplung könnte das
Wachs tum der zentralen Schwarzen Löcher mit der
Sternentstehung in deren Wirtsgalaxien selbstregulierend
gekoppelt sein. Eine der spannendsten Phasen im Leben
der Galaxien ist somit die, in der ihr zentrales Schwarzes
Loch wächst: die Quasarphase. Aber was macht die
Galaxien in dieser kurzen Phase so besonders, dass sie
dieses Wachstum zulassen? Welche Bedingungen sind
für Quasaraktivität Voraussetzung? In was für Galaxien
leben also Quasare?
Schwarze Löcher in leuchtenden Galaxien
Die dauerhaft leuchtkräftigsten Quellen im Universum
sind Galaxien in einer Phase starken Einfalls von Materie
in ihr zentrales supermassereiches Schwarzes Loch. Diese
»Quasar« genannte aktive Phase in der Entwicklung von
Galaxien – bei den Schwarzen Löchern spricht man auch
von aktiven galaktischen Kernen (Active Galactic Nuclei,
AGN) – dauert größenordnungsmäßig hundert Millionen
Jahre. Während dieser relativ kurzen Zeit werden große
Mengen an Gravitationsenergie von in das Schwarze
Loch einfallender Materie in Strahlungsenergie umgewandelt
(Abb. III.2.1). Um in das Schwarze Loch hineinstürzen
zu können, muss die einfallende Materie ihren
Drehimpuls abgeben. Auf dem letzten Stück ihres Weges
geschieht dies über die Bildung einer dichten sogenannten
Akkretionsscheibe um das zentrale Schwarze Loch,
deren Durchmesser nur wenige Lichtminuten oder ­stunden
beträgt, und in der durch Reibung Drehimpuls dissipiert
werden kann.
Die während der Quasarphase insgesamt abgestrahlte
potentielle Energie der in den tiefen Potentialtopf des
Schwarzen Lochs einfallenden Materie übersteigt die gravitative
Bindungsenergie aller Sterne in der Galaxie. Sie
hätte also, eine entsprechende Kopplung vorausgesetzt, die
Möglichkeit, die Galaxie aufzulösen. Wir wissen aber, dass
dies nicht geschieht, und es stellt sich die Frage, wie groß
der Einfluss der Quasaraktivität auf die umgebende Galaxie
tatsächlich ist und welche Bedingungen in der Galaxie vorherrschen
müssen, damit ein Quasar entstehen kann.
Seitdem vor gut zehn Jahren die ersten größeren
Stich proben von Quasar­Wirtsgalaxien im nahen Univer
sum genauer untersucht wurden, ist klar geworden,
dass Aktive Galaxienkerne (AGN), von denen Quasa
re nur die extreme Ausprägung sind, in allen Ga laxien
mit einem stellaren »Bulge« (einer zentralen Verdi
ckung) auftreten können. Vermutlich beherbergt jede
Ga la xie, deren Bulge­Masse mehr als etwa eine Million
Son nenmassen beträgt, ein Schwarzes Loch in ihrem
Zentrum, nur unterhalb dieser Grenze herrscht derzeit
noch Unsicherheit. Da nun mit wachsender AGN­ oder
Quasarleuchtkraft und einer als konstant angenommenen
relativen Akkretionsrate die Masse des Schwarzen
Lochs, und damit auch die Bulge­Masse, wachsen muss,
Abb. III.2.1: Beispiel einer Galaxie in der Quasarphase:
HE 1029–1401 ist eine Elliptische Galaxie bei Rotverschiebung
z 0.086 mit einer hellen Punktquelle im Zentrum. Für die gesamte
Lichtabstrahlung des AGN kann nur die Umwandlung
von Gravitationsenergie verantwortlich sein. (Beobachtet mit
HST/WFPC2)