Rätselhafte Quasare. Jens Krampe

Transkript

1 Rätselhafte Quasare Jens Krampe

2 Welle-Teilchen-Dualismus Röntgenstrahlen: hochenergetische Teilchen schlagen Elektronen aus dem Atom Radiowellen: Wellenartige elektromagnetische Felder versetzen Elektronen in Schwingung

3 1932: Suche nach störenden Rauschquellen bei telefonischen Fernverbindungen Zufällige Entdeckung kosmischer Radiowellen durch Karl G. Jansky

4 1935: Jansky fand die Quelle des Rauschens nahe des Zentrums der Milchstraße. Annahme: Aufgrund ihrer Nähe ist die Sonne die stärkste Radioquelle. Wie können Radioquellen aus großer Entfernung stärker sein als die der nahen Sonne? Starkes Signal Schwaches Signal

5 Grote Reber entwarf und baute das erste Radioteleskop d=9m 1939: Reber erstellt die ersten Radiokarten Verzeichnet waren Radioquellen im Zentrum der Milchstraße im Sternbild Schwan (Cyg A: aktiver Galaxienkern) im Sternbild Kassiopeia (Cas A: Supernovaüberrest) 1940: Abhandlung über sein Radioteleskop und der erzielten Ergebnisse Rebers 9-Meter-Teleskop im Green-Bank-Observatorium

6 Sichere Identifikation von Radioquelle durch örtliche Übereinstimmung mit sichtbaren Quellen. Cyril Hazard benutzte die Abdeckung von ekliptiknahen Radioquellen durch den Mond. 1962: 3 Beobachtungen der Abdeckung von 3C 273 3C 273 wurde als 13,0-mag-Stern identifiziert Das Spektrum des Sterns wurde nicht verstanden 3C 273 / Hubble

7 1963 erreichten Hazards Daten Maarten Schmidt. Schmidt erstellte weitere Spektren von 3C 273 Er erkannte die Linien des Wasserstoffs im Spektrum Rotverschiebung: 16% (z = 0,16) 3C 273 ist ca. 2 Mrd. Lichtjahre entfernt Breite Spektrallinien durch große Geschwindigkeiten

8 Schmidt fand die leuchtkräftigsten Objekte im Universum Handelt es sich wirklich um einen Stern? Wie kann ein so weit entferntes Objekt sichtbar sein? Wie groß ist die Energie die abgegeben wird? 3C 273 ist 300 mal heller als die Milchstraße und 4 Billionen mal heller als die Sonne Quasar: Quasistellare Radioquelle QSO: Quasistellares Objekt 3C 273 / Hubble

9 Kontroverse Rotverschiebung 1. Quasare besitzen extrem hohe Eigengeschwindigkeiten Wo sind dann die ins Blaue verschobenen Quasare? 2. Photonen verlassen ein extrem starkes Gravitationsfeld Kann ein Stern mit 13 mag ein derartiges Gravitationsfeld besitzen? 3. Schmidts Beobachtung entspricht der Realität Gestützt durch weitere Beobachtungen: Quasare haben ähnliche Rotverschiebungen wie Galaxien mit denen sie eine Gruppe bilden Ungeklärte Ausnahmen: Arp-Objekte

10 3C 273 wurde seit 1895mehr als 2000 mal fotografiert Harlan Smith untersuchte archiviertes Fotomaterial Die Analyse ergab starke Helligkeitsschwankungen Darunter Schwankungen innerhalb eines Monats Smith folgerte: Die Leuchtkraft von 3C 273 kommt aus einem Raumgebiet das kleiner als 1 LM ist Hellste Galaxien d LJ L = 1 3C 273 d < 1 LM L = 100

11 Stellare Schwarze Löcher: Theoretisch vorhergesagt (ART) Systematische Beschäftigung mit stellaren Schwarzen Löchern Entstehung durch Kernkollaps Supermassereiche Schwarze Löcher: Keine theoretische Vorhersage Zufällige Beobachtung durch Grote Reber(Cyg A) Keine Möglichkeit der Entstehung durch Kollaps Erst in den 1980 waren Astrophysiker von deren Existenz überzeugt

12 Aufbau von Quasaren Zentrum: Supermassereiches Schwarzes Loch BLR: Broad-Line-Region Gaswolken mit hoher Geschwindigkeit Breitbandige Emission NLR: Narrow-Line-Region Gaswolken mit geringer Dichte Schmalbandige Emission

13 Blandford-Payne-Mechanismus Materiestrom durch magnetische Prozesse Einfallende Materie bildet eine Akkretionsscheibe Reibung führt zu sehr hohen Temperaturen, Plasma entsteht Magnetfelder entstehen Jet Scheibenwind: Teilchen werden entlang den Feldlinien transportier 5000 Km/s BLR Scheibenwind Kerr- Loch Plasma Akkretionsscheibe T > 1 Mio. K Ergosphäre Staubtorus

14 Jet NLR 500 Km/s Verbotene Übergänge Blandford-Znajek-Mechanismus Gravitomagnetismus Extraktion der Rotationsenergie durch Elektromagnetismus Raum in der Ergosphäre rotiert (Frame-Dragging) Megnetosphäre entsteht GravitomagnetischerDynamo verstärkt die Magnetfelder LeptonischesPaarplasma entsteht (e - + e + / E = mc 2 ) Schwarzschild-Loch Kerr- Loch Plasma Akkretionsscheibe T > 1 Mio. K Ergosphäre η= 6% Kerr-Loch: η= 42%

15 Extragalaktischer Jet Kollimation durch aufgewickelte Magnetfelder Magnetische Feldlinien Schwarzes Loch Synchrotron-Strahlung Akkretionsscheibe - Feldlinien

16 Teilchenbeschleunigung im Jet Teilchengeschwindigkeit fast c Lebensdauer der strahlenden Teilchen: 100 Jahre Lebensdauer: LJ Die relativistische Teilchen besitzen nur noch die hälfte der Energie des Anfangswertes Energieverlust durch Synchrotron-Strahlung und inversen Compton-Effekt Teilchen müssen innerhalb des Jets beschleunigt werden Blau: Röntgenlicht, Grün: Sichtbares Licht, Rot: Radiowellen, Gelb: starke radio- und optische Strahlung

17 3C 273 Blobs Knots Sichtbares Licht (HST) Röntgen (CHANDRA) Radiowellen (MERLIN)

18 Cygnus A Jets treffen auf heißes Gas. Centaurus A Radioblasen Teilchen gyrierenum Magnetfelder Synchrotron-Strahlung entsteht Hotspots durch Stoßfront (Bremsstrahlung) Bildüberlagerung Orange: Submillimeter (APEX) Blau: Röntgen (Chandra) und sichtbarem Licht Krümmung der Jets durch vorbeiziehende intergalaktische Materie

19 Heutige Beobachtungstechnik

20 Effelsberg / RadioAstron Verlängerung der Baseline durch Satelliten RadioAstron: 10 m Antenne Maximale Entfernung Km Radioteleskop Effelsberg: 100 m Antenne Kombiniert ergibt sich eine Größe von Km Auflösungsvermögen erreicht die Größe des Ereignishorizontes stellarer Schwarzer Löcher (3 100 M )

21 Photon Teilchenschauer 10 Km Cherenkov-Teleskope Cherenkov-Strahlung Seit 2012 High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Bestehend aus 5 Teleskopen Im Aufbau Cherenkov Telescope Array (CTA) ca. 100 Teleskope Abdeckung des gesamten Himmels durch 2 Standorte 1000 Experten aus 25 Ländern DESY stellt die größte Gruppe und ist für Design, Bau der Teleskope mit 12 m Spiegeldurchmesser und Teleskopsteuerung zuständig H.E.S.S.-Array/ Krabbennebel

22 Offene Fragen 2014: Mysteriöse Ausrichtung von Quasaren

23 Die Strukturen entstehen durch zufällige Fluktuationen aus der Frühzeit des Kosmos Nachweis erfolgte durch Quasarlicht das Wasserstoff anregt 2014: Die Rotationsachsen erscheinen gleichgerichtet 2016: Zufällige Entdeckung des Phänomens auch bei Radioquellen Gleichrichtung muss seinen Ursprung im frühen Universum haben Kosmische Magnetfelder? Exotische Teilchen?

24 2015 Schnelles Quasar-Wachstum Im frühen Universum SDSS J Entfernung 12,8 LJ (Alter Universum 875 Mio. Jahre) Leuchtkraft 420 Bio. Sonnenleuchtkräfte 3 Mrd. 7 mal heller als der hellste ferne Quasar MSL = 12 Mrd. Sonnenmassen Wie konnte dieser Quasar so schnell wachsen? Wuchsen frühe Quasare schneller als ihre Host-Galaxien? 800 Mio.

25 2016 3C 273 heißer als die Theorie erlaubt Gamma- und Röntgenstrahlung kühlt Obergrenze der Gesamthelligkeit durch negative Rückkopplung: Stabile Temperaturobergrenze erwartet T e- > 100 x 10 9 (100 Mrd.) K Gemessenen Effektivtemperatur im Zentrum von 3C 273 (RadiaAstron) T > 10 x (10 Bio.) K

26 Quasar-Halos Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE/ VLT) Mehr Halos als angenommen gefunden Ausdehnung bis zu LJ Voraussage Gastemperatur: 1 Mio. K Gemessen: K

27 Quasare: Werkzeuge in der Forschung Überprüfung der ART Apsidendrehung Gravitationswellen OJ 287 Entfernung: 3,5 Mrd. LJ

28 Hubbel-Konstante Gravitationslinsen-Effekt Strahlungsintensität der Quasare schwankt Unterschiedliche Lichtwegen => nicht sphärische Verzerrungen Zeitunterschied der Schwankungen kann gemessen werden Übereinstimmung mit Daten für das lokale Universum (Cepheiden, SN) Planck: 67.8 Km/s*Mpc H0LiCO: 71.9 Km/s*Mpc Erhebliche Abweichungen zu den Planck-Daten (Mikrowellenhintergrund)

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit