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Astronomie : Die hellsten Kerzen am Sternenhimmel

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Röntgenaufnahme des Quasars 3C 273 im Sternbild Jungfrau, des hellsten Quasars am irdischen Himmel. 3C 273 ist rund drei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Energie des Quasars entsteht beim Einfall von heißem Gas in ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum des Quasars. In einem komplizierten Prozess verdichten Magnetfelder geladene Teilchen in zwei lang gestreckte „Jets“ die von dem Schwarzen Loch weg weisen. Einer dieser Jets ist in der Aufnahme deutlich zu erkennen. Bild: Nasa/CXC/SAO

Die Entfernungen von Quasaren, äußerst aktive Galaxienkerne, lassen sich jetzt recht präzise ermitteln. Dadurch könnte das Rätsel um die Dunkle Energie bald gelüftet werden.

          Quasare, jene extrem leuchtkräftigen Zentren vieler Galaxien, eignen sich möglicherweise zur Entfernungsbestimmung im Weltall. Sie könnten damit - wie bestimmte Typen von Supernovae - bei der Vermessung der Expansionsgeschichte des Kosmos und der Entschlüsselung der rätselhaften „Dunklen Energie“ helfen. Anlass zur Hoffnung geben amerikanische und südafrikanische Astronomen. Ihnen ist es offenbar gelungen, die Rotverschiebung einiger Quasare direkt zu bestimmen. Die kosmologische Rotverschiebung ist ein Maß für die Entfernung eines Objekts. Sie kommt durch die Ausdehnung des Kosmos zustande, da der expandierende Raum den Quasar von uns „fortträgt“. Dadurch werden die Wellenlängen des von ihm ausgesandten Lichts gedehnt, der Quasar erscheint somit „rötlicher“.

          Die Natur der Galaxienkerne

          Der Name „Quasar“ ist ein Kunstwort, das aus dem englischen Begriff „quasi stellar radio source“(quasistellare Radioquelle) entstanden ist. Als man die Objekte Mitte des 20. Jahrhunderts mit Radioteleskopen entdeckte, stellte man fest, dass sie zwar wie Sterne punktförmig erscheinen, ihre Entfernungen aber im Bereich fernster Galaxien liegen. Ihre enorme Leuchtkraft - sie strahlen weit heller als ganze Galaxien - entsteht, weil in ihrem Innern Materie in ein viele Millionen Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch strömt. Doch strahlen Quasare nicht gleichmäßig, sondern sie zeigen Helligkeitsschwankungen im Laufe von Monaten und Jahren. Dieses „Flackern“ nutzen De-Chang Dai von der Universität Kapstadt und seine Kollegen dazu, die kosmische Rotverschiebung der aktiven Galaxienkerne zu messen. Das war bislang bei nur wenigen Exemplaren möglich - und nur indirekt, etwa durch die Beobachtung der Spektren der zugehörigen Galaxien oder durch die Absorption des Quasarlichts in Gaswolken auf dem Weg bis zur Erde.

          Illustration eines Quasars.
          Illustration eines Quasars. : Bild: AFP

          Nützliches Flackern

          Für ihre Messungen nutzen die Forscher einen Effekt der speziellen Relativitätstheorie. Danach tickt die von einem sich relativ zu uns bewegenden Quasar mitgeführte hypothetische Uhr aus Sicht der Erde langsamer. Das „Ticken der Quasaruhr“ manifestiert sich in charakteristischen Helligkeitsschwankungen: Bei weit entfernten Quasaren sollten diese für einen irdischen Beobachter langsamer ablaufen als bei näheren. Dai und seine Kollegen untersuchten insgesamt dreizehn Quasare, deren Rotverschiebung bereits aus anderen Messungen bekannt war. Die Helligkeitsschwankungen waren von Objekt zu Objekt zunächst recht unterschiedlich stark ausgeprägt.

          Als die Forscher jedoch die jeweilige Rotverschiebung berücksichtigten, variierte die Helligkeit der Quasare in gleichem Maße (“Physical Review Letters“, Bd. 108, Nr. 231302). Das ursprünglich beobachtete Flackern hing also nur von der Rotverschiebung und somit von der Entfernung der Quasare ab. Nach Ansicht von Dai und seinen Kollegen könnte man auf ähnliche Weise auch die unbekannten Rotverschiebungen anderer Quasare bestimmen. Allerdings sei das Verfahren dafür noch nicht ausgereift. So fehle bislang eine Erklärung dafür, wie das Quasarflackern eigentlich entsteht.

          Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Universum
          Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Universum : Bild: Nasa

          Neue kosmische Standardkerzen

          Sofern sich das Verfahren als zuverlässig herausstellt, könnten die Quasare als Standardkerzen genutzt werden, um die Expansion des Kosmos präzise zu vermessen. Standardkerzen sind astronomische Objekte, deren Leuchtkraft gut bekannt ist. Vergleicht man die Entfernungen, die aus der Leuchtkraft gewonnen wurden, mit der Rotverschiebung des jeweiligen Objekts, dann sollten beide Werte in einem linearen Zusammenhang stehen, entsprechend dem berühmten Hubble-Gesetz.Vorausgesetzt, das Universum dehnt sich mit konstanter Geschwindigkeit aus. Doch das ist nicht der Fall.

          Die Überlagerung einer 1985 (blau) und einer 2007 gemachten Aufnahme (orange) der Supernova zeigt die Expansion, aus der der Zeitpunkt der Explosion errechnet wurde.
          Die Überlagerung einer 1985 (blau) und einer 2007 gemachten Aufnahme (orange) der Supernova zeigt die Expansion, aus der der Zeitpunkt der Explosion errechnet wurde. : Bild: AFP

          Beschleunigte Expansion

          Vor rund zehn Jahren hatten zwei Forschergruppen unabhängig voneinander festgestellt, dass das Leuchten der als Standardkerzen verwendeten Supernovae schwächer erschienen, als deren Rotverschiebung erwarten ließ. Dafür gibt nach Meinung vieler Astrophysiker nur eine Erklärung: Der Kosmos dehnt sich immer schneller aus - vielleicht verursacht durch die sogenannte „Dunkle Energie“, aus der das Universum zu siebzig Prozent bestehen soll. Was sich hinter dieser Art von Antischwerkraft verbirgt, ist noch völlig unklar. Für die Entdeckung der beschleunigten Expansion erhielten Saul Perlmutter, Adam Riess und Brian Schmidt im vergangenen Jahr den Nobelpreis für Physik.

          Seltsame Energie

          Kosmologen würden ihre Messungen zur „Dunklen Energie“ mit noch weiter entfernten Objekten fortsetzen, schließlich sollte der Effekt der Beschleunigung umso deutlicher auftreten, je weiter entfernt die Standardkerzen sind. Hier könnten die Quasare einen wichtigen Beitrag leisten, denn sie leuchten weitaus heller als Supernovaexplosionen. Leider war die absolute Leuchtkraft von aktiven Galaxienkernen lange Zeit unbekannt. Im Herbst 2011 jedoch war es Wissenschaftlern aus Australien und Dänemark gelungen, die Leuchtkraft zumindest eines bestimmten Typus von Galaxienkernen zu ermitteln (“The Astrophysical Journal Letters“, Bd. 740, S. L49). Damit wären diese Quasare als Standardkerzen geeignet. Kombiniert mit dem Verfahren von Dai und seinen Mitarbeiten ist es somit vielleicht bald möglich, die Entwicklung der kosmischen Expansion bis in weit größere Entfernungen zurückzuverfolgen und vielleicht sogar die Natur der „Dunklen Energie“ zu entschlüsseln.

          Quelle: F.A.Z.

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