Supermassereiche Schwarze Löcher in Galaxienzentren

Transkript

1 Supermassereiche in Galaxienzentren Ralf Bender Sternwarte der Universität München Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik Garching Januar

2 Was sind schwarze Löcher? Eine Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie. Wenn man Masse über eine bestimmte Grenze (den Schwarzschildradius) hinaus komprimiert, kann selbst Licht nicht mehr von der Oberfläche entweichen. Würde man die Sonne zu einem schwarzen Loch komprimieren, hätte sie einen Radius von nur 3km! Ein schwarzes Loch von 1 Million Sonnenmassen hat einen Radius von 3 Millionen km. Körper, die auf ein schwarzes Loch einfallen, erreichen an seiner Oberfläche Lichtgeschwindigkeit. Läßt man Materie durch gegenseitige Reibung in ein schwarzes Loch spiralen, wird potentielle Energie (Schwerkraftenergie) in Strahlung umgewandelt. Bei schwarzen Löchern können bis zu 10% dieser akkretierten Masse nach E = mc 2 in Energie umgewandelt werden (1g liefert 9 Milliarden kwh). spielen eine wichtige Rolle in der theoretischen Physik an der Grenzlinie zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie. Gibt es schwarze Löcher wirklich? Und wie findet man sie? Januar

3 Eines der entferntesten bekannten Objekte im Universum: ein Quasar mit einer Rotverschiebung von z = 5.8 bzw. Entfernung von ca 13 Milliarden Lichtjahren bei einem Weltalter von 14 Milliarden Jahren (Sloan Digital Sky Survey). Januar

4 Quasare und Aktive Kerne: Quasar PG (z=0.155, ca. 2 Milliarden Lj. Entf., HST), rechts M101 (Wendelst.) Quasare finden sich in Galaxienkernen und zeigen optische Leuchtkräfte bis zu: L nuc L, d.h. sie sind bis zu Mal heller als die Galaxien selbst. Januar

5 NGC 383 (= 3C31), eine Radio-Galaxie, blau: optisch, rot: Radio (A. Bridle) Radio-Leistungen bis zu L radio L von Radiojets mit Ausdehnungen von bis zu Millionen Lj. (erfordert Langzeit-Stabilität der zentralen Maschine). Januar

6 Der optische Jet der nahen Radio-Galaxie M 87 (zentrale Galaxie des Virgohaufens in 50 Mio. Lj. Entfernung): Der Jet ist hoch kollimiert und Schocks sind im Jet sichtbar. Die Elektronen im Jet rotieren um die Magnetfeldlinien und senden Radiowellen und sogar optisches Licht aus. Das erfordert wiederholte Beschleunigung der Elektronen mit Spannungen von ca einer Billion Volt. Januar

7 Radio- Beobachtungen und die schnelle Variabilität der Aktiven Kerne zeigen, daß die extremen Leuchtkräfte in einem sehr kleinen Volumen von unter einem Lichtjahr, eventuell sogar nur von der Größe des Sonnensystems erzeugt werden. Januar

8 weitere Eigenschaften: Schnelle Variation der Leuchtkräfte innerhalb von Tagen bis Monaten. Röntgen und Gamma-Strahlung schraubt die Energieanforderungen in vielen Fällen weiter nach oben. Die maximale Raumdichte von Quasaren wird ca 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall (z 2.5) erreicht. 1% aller Galaxien enthält damals einen Quasar, heute sind es nur noch 0.001%. Wenn Quasare lang leben (ca. Milliarden Jahre), dann sollte nur 1% aller Galaxien heute einen toten Quasar enthalten. Andererseits, wenn die Quasarphase nur einige 10 Millionen Jahre dauert, dann könnte heute jede leuchtkräftige Galaxie einen toten Quasar enthalten. Januar

9 Nur supermassereiche schwarze Löcher können alle Beobachtungstatsachen erklären (Zel dovich 1963): Mit Kernenergie können nach E = mc 2 nur 0.6% der Masse in Energie verwandelt werden, während die Akkretion auf ein schwarzes Loch 10% der Ruhemasse als Energie freisetzen kann. Die große träge Masse und der Drehimpuls eines schwarzen Loches können die Langzeitstabilität der Jets erklären. Da die Materie in der Nähe des schwarzen Loches sehr schnell rotiert und dabei die Magnetfelder mitreißt, kommt es zur Ausbildung einer mit Lichtgeschwindigkeit rotierenden Magnetosphäre, die Teilchen besser beschleunigen kann, als jeder irdische Beschleuniger. Dies ist die einzig plausible Erklärung für die Entstehung von Jets und die dabei beobachteten hochenergetischen Phänomene. Januar

10 Die Schlüsselfragen: Wie können wir schwarze Löcher finden? Und wie können wir sicher sein, daß es nicht andere dunkle Objekte sind, wie z.b. ein Neutronensternhaufen oder ein Cluster aus weißen Zwergen? Wo finden wir die massereichen schwarzen Löcher, die als Überbleibsel des Quasarzeitalters vorhanden sein müßten, im lokalen Universum? Falls wir schwarze Löcher in Galaxienzentren finden, wie hängt ihre Masse von den Eigenschaften der Muttergalaxie ab? Wann und wie wurden die ersten schwarzen Löcher gebildet? Wie wirkt sich ein schwarzes Loch auf die Entwicklung und heutige Struktur der Muttergalaxie aus? Januar

11 Wie finden wir massereiche schwarze Löcher? Nach Keplers 3. Gesetz nehmen die Geschwindigkeiten um einen Himmelskörper mit dem Abstand wie folgt ab (G = Gravitationskonstante): Geschwindigkeit 2 = G Masse Radius oder: Geschwindigkeit 1 Radius Dieses Gesetz folgt aus dem Gleichgewicht zwischen der Anziehung der Sonne und der Fliehkraft einer Kreisbahn. Man bestimmt die Umlaufgeschwindigkeiten von Merkur, Venus, Erde, Mars um die Sonne zu 48, 34, 30 und 24 km/s, entsprechend den Umlaufzeiten von 88, 225, 365 und 686 Tagen. Hätte die Sonne die vierfache Masse, würden die Planeten doppelt so schnell umlaufen. Januar

12 Analog verhalten sich Sterne, die auf zufälligen Bahnen ein schwarzes Loch umkreisen: Januar

13 Das nahegelegenste Studienobjekt: das Zentrum der Milchstraße: Januar

14 Eigenbewegungen der Sterne im Zentrum der Milchstraße (Infrarot-Beobachtungen von Genzel und Mitarbeitern). Hieraus läßt sich die Masse im Zentrum der Milchstraße bestimmen. Würde das Zentrum nur aus Sternen bestehen, müssten die inneren Sterne sich sehr langsam bewegen, da nur die Schwerkraftanziehung der noch weiter innen befindlichen Sterne auf sie wirkt. Tatsächlich nehmen die Geschwindigkeiten zum Zentrum hin aber zu, was eine zusätzliche, aber nicht sichtbare und sehr kompakte Masse erfordert. Januar

15 Januar

16 Januar

17 in externen Galaxien: Wie findet man sie? Wie bestimmt man ihre Masse? Da schwarze Löcher extrem kompakt sind, braucht man sehr gute räumliche Auflösung, um sie nachzuweisen. Objekt Entfernung in Masse des SLs Geschwindigkeit Einfluß-Sphäre Millionen Lj. in Sonnenmassen der Sterne in km/s in Bogensekunden Milchstraße Millionen Andromeda M Millionen Milchstraße in Virgohaufen 50 3 Millionen Andromeda in Virgohaufen Millionen große Virgo-Ellipse 50 1 Milliarde in Formeln: R E GM BH σ 2 G ( ) ( ) 2 ( ) 1, or : α E 1 MBH σg D M 200km/s 5Mpc Problem: 1 Bogensekunde ist typischerweise die Auflösung, die bodengebundene Teleskope liefern können. Aus diesem Grund, war es bis vor wenigen Jahren nur für wenige nahe Galaxien gelungen, schwarze Löcher nachzuweisen. Januar

18 Der Durchbruch: das Hubble-Space-Telescope Es liefert bis zu 10x bessere Auflösung als Teleskope am Boden (ca 0.1 Bogensekunde). Januar

19 Der nächste Nachbar: die Andromedagalaxie (M31, NOAO-Aufnahme) Januar

20 Das Zentrum der Andromedagalaxie (Wendelstein, Auflösung: 1.1 ) Januar

21 Sterngeschwindigkeiten im Zentrum der Andromedagalaxie Canada France Hawaii Telescope, Auflösung 0.6, Kormendy & Bender 1999 Januar

22 Sternbahnen um das schwarze Loch (nach Tremaine 1997). Die Sterne bewegen sich schnell im Perizentrum und sind langsam im Apozentrum. Daher wird im Apozentrum länger Licht ausgestrahlt und es entsteht der hellere rechte Nukleus. Unsere HST Messungen zeigen, daß die Sterne im Perizentrum Geschwindigkeiten bis über 400km/s erreichen. Im dem kompakten blauen Sternhaufen, der das schwarze Loch beherbergt, erreichen die Sterne Geschwindigkeiten sogar mehr als 1500km/s. Echtfarbenaufnahme der inneren 30 Lichtjahre der Andromedagalaxie (M31) mit dem so genannten Doppel-Nukleus (Aufnahme: Hubble Space Telescope, Auflösung 0.05 ). Ein schwarzes Loch von 30 Millionen Sonnenmassen befindet sich in dem blau-weißen ultrakompakten Nukleus. Januar

23 Sternbahnen um das schwarze Loch. Projezierte Sterndichte µ, Rotationsgeschwindigkeit V und ungeordnete Sterngeschwindigkeit σ (Dispersion) entlang der Verbindungslinie der beiden Kerne von M31. 1 Bogensekunde (arcsec) = 10 Lichtjahren. SIS: Geschwindigkeiten gemessen mit dem Canada-France-Hawaii Teleskop, Kormendy and Bender STIS: Geschwindigkeiten gemessen mit dem Hubble Space Telescope, Bender, Kormendy et al Januar

24 Massenbestimmung schwarzer Löcher aus rotierenden Gasscheiben Die zentrale Gasscheibe in der elliptischen Galaxie M 84. Die Rotationsgeschwindigkeit fällt ab wie es aus dem Keplerschen Gesetz für eine sehr kompakte Masse erwartet wird ( r 1/2 ). Die Masse kann direkt aus M = V 2 R/G bestimmt werden. Januar

25 Die wichtigsten Ergebnisse der letzten Jahre: Die Mehrzahl aller nahen normalen Galaxien enthält supermassereiche schwarze Löcher von einer Million bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen. Die Masse der schwarzen Löcher korreliert mit der Sphäroid-Leuchtkraft (Masse), nicht der Gesamtleuchtkraft der Galaxien. Neben der Masse des Sphäroids spielt auch seine Dichte ein Rolle. Höhere Dichte bei gleicher Masse bewirkt eine höhere Masse des schwarzen Loches. Januar

26 Masse der schwarzen Löcher M gegen die Galaxienleuchtkraft M B,total und die Sphäroid- Leuchtkraft (M B,Bulge, Bulge = Sphäroid). Elliptische Galaxien: blau, Sphäroide: rot, Galaxien ohne Sphäroid (reine Spiralen): grün. (aus Daten des Nuker Teams: Richstone, Bender, Bower, Dressler, Faber, Filippenko, Gebhardt, Green, Grillmair, Ho, Kormendy, Lauer, Magorrian, Pinkney, und Tremaine; sowie Merritt et al.) Januar

27 Die Massen der schwarzen Löcher korrelieren am engsten mit der mittleren Sterngeschwindigkeit σ der Sphäroide und damit einer Kombination aus ihrer Masse und Dichte: M BH σ 4. (Nuker Team 2000; Merritt and Ferrarese 2000). Januar

28 Haben wir wirklich schwarze Löcher gefunden? Alternative Erklärungen für die dunkle Masse in Galaxienzentren sind kompakte Haufen aus Braunen Zwergen, Neutronensternen, Weißen Zwergen oder kleinen Schwarzen Löchern. Im Falle der Milchstraße und der Galaxie NGC 4258 sind die Randbedingungen an die Größe der Haufen aber so stark, daß sogar unter den günstigsten Annahmen diese Haufen nur eine relativ kurze Zeitüberleben könnten. Braune Zwerge würden kollidieren und verschmelzen und leuchtende Sterne bilden, Haufen aus Sternleichen würden sich aufgrund dynamischer Effekte auflösen. In allen anderen Galaxien können die Alternativ- Erklärungen noch nicht ausgeschlossen werden, jedoch sind sie unplausibel, da man nicht weiß wie sich solch kompakte Haufen aus Sternleichen bilden könnten. Januar

29 Röntgen Beobachtungen in der Eisen K-Linie (6.4 kev) in aktiven Kernen (Nandra et al. 2000). Die Linien werden von sehr heißem Gas emittiert, das Rotationsbewegungen von fast einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit zeigt. Das Zentrum der K-Linie ist außerdem gravitationsrotverschoben, was ein direkter Hinweis auf die Existenz eines schwarzen Loches ist. Gegenwärtig sind allerdings genaue Massenbestimmungen noch nicht möglich. Januar

30 Zusammenfassung: Wahrscheinlich enthalten alle Galaxien mit Sphäroiden auch massereiche schwarze Löcher. Demnach haben alle massereichen Galaxien früher einen Quasar beherbergt. Ungefähr 0.2% der Sphäroidmasse findet sich im schwarzen Loch. Dieser Prozentsatz ist ausreichend um die Gesamtleuchtkraft aller Quasare zu erklären. Offensichtlich verlaufen Bildung der schwarzen Löcher und Entstehung der Galaxien in engem Wechselspiel. In Zukunft werden vor allem neue Verfahren am Boden (Adaptive Optik) und noch grössere Teleskope die Messgenauigkeit weiter erhöhen und neue Erkenntnisse liefern. die Zukunft Januar

31 Overwhelmingly Large Telescope (100m Spiegeldurchmesser), ESO Studie. Januar

32 OWL, Illustration zur räumlichen Auflösung Januar

33 Januar