Astronomen blicken in einen Quasar

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Quasare sind einige der hellsten Objekte im Universum, und Astronomen glauben, dass sie durch das Ausströmen von Strahlung aus der Umgebung um ein aktiv speisendes supermassives Schwarzes Loch verursacht werden. Astronomen nutzten die Schwerkraft einer relativ nahe gelegenen Galaxie als Gravitationslinse, um das Licht des weiter entfernten Quasars zu fokussieren und so diese beeindruckende Aussicht zu ermöglichen.

Zum ersten Mal haben Astronomen mit einer neuartigen Technik in einen Quasar geschaut und die sogenannte Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch gemessen. Die Studie bestätigt weiter, was Wissenschaftler seit langem vermutet haben - dass die supermassiven Schwarzen Löcher von Quasaren von überhitzten Materialscheiben umgeben sind, die sich in sie hinein winden.

Die Ergebnisse des Projekts, an dem Wissenschaftler der Penn State University und der Ohio State University beteiligt waren, sowie Beobachtungen mit dem Chandra X-ray Observatory der NASA werden heute (5. Oktober 2006) auf dem Treffen der High Energy Astrophysics der American Astronomical Society (AAS) veröffentlicht Abteilung in San Francisco.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Christopher Kochanek im US-Bundesstaat Ohio besteht aus Xinyu Dai und Nicholas Morgan im US-Bundesstaat Ohio sowie George Chartas und Gordon Garmire im US-Bundesstaat Penn. Das Team untersuchte die inneren Strukturen der beiden Quasare, deren Licht erst sichtbar wurde, als sich zufällig eine Galaxie zwischen ihnen und der Erde aufstellte und ihr Licht wie eine Linse vergrößerte. Die Astronomen verglichen diesen Effekt, der als "Gravitationslinse" oder "Mikrolinse" bekannt ist, mit der Möglichkeit, die Quasare unter einem Mikroskop zu betrachten.

„Es gibt viele Modelle, die versuchen zu beschreiben, was in einem Quasar passiert, und zuvor konnte keines davon ausgeschlossen werden. Jetzt können einige von ihnen “, sagte Xinyu Dai, ein Postdoktorand am Ohio State, der kürzlich am Penn State promovierte. "Wir können damit beginnen, präzisere Modelle von Quasaren zu erstellen und einen vollständigeren Überblick über Schwarze Löcher zu erhalten."

Garmire aus Penn State ist der Hauptforscher der Röntgenkamera am Chandra-Observatorium der NASA, dem Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS), mit dem die Astronomen die Gravitationslinsen der beiden Quasare beobachteten. Diese Röntgenkamera wurde von Penn State und dem Massachusetts Institute of Technology unter der Leitung von Garmire, dem Evan Pugh-Professor für Astronomie und Astrophysik am Penn State, für die NASA konzipiert und entwickelt. Nahezu jede wichtige Entdeckung von Chandra basiert auf Beobachtungen mit der ACIS-Kamera.

Von der Erde aus sehen Quasare oder quasi-stellare Objekte wie Sterne aus. Sie sind extrem hell, weshalb wir sie sehen können, obwohl sie zu den am weitesten entfernten Objekten im Universum gehören. Astronomen rätselten jahrzehntelang über Quasare, bevor sie entschieden, dass sie höchstwahrscheinlich supermassive Schwarze Löcher enthalten, die sich vor Milliarden von Jahren gebildet haben. Das Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, leuchtet hell und scheint bei Quasaren über einen weiten Bereich von Energien, einschließlich sichtbarem Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlen.

"Röntgenstrahlen von den Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern untersuchen Emissionsbereiche, die näher am Schwarzen Loch liegen als diejenigen im optischen Band", erklärt Chartas, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Penn State, der die Röntgendaten analysierte, die bei der Überwachung mehrerer von die Objekte in dieser Mikrolinsenstudie. „Durch den Vergleich der Röntgenlichtkurven eines Mikrolinsenereignisses mit denen in mehreren optischen Bändern haben wir die relativen Größen der Emissionsbereiche abgeleitet. Dieser Vergleich ermöglichte es uns, die Struktur der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs bei verschiedenen Wellenlängen zu beschränken. “

Quasare sind so weit entfernt, dass sie selbst in den fortschrittlichsten Teleskopen normalerweise wie ein winziger Lichtpunkt aussehen. Einstein sagte jedoch voraus, dass massive Objekte im Raum manchmal wie Linsen wirken können, die das Licht von Objekten, die sich hinter ihnen befinden, biegen und vergrößern, wie sie von einem Beobachter gesehen werden. Der Effekt wird als Gravitationslinse bezeichnet und ermöglicht es Astronomen, einige Objekte in ansonsten unerreichbaren Details zu untersuchen. "Zum Glück fungieren Sterne und Galaxien manchmal als sehr hochauflösende Teleskope", sagte Kochanek. "Jetzt schauen wir uns nicht nur einen Quasar an, wir untersuchen das Innere eines Quasars und kommen zu dem Punkt, an dem sich das Schwarze Loch befindet."

Die Wissenschaftler konnten die Größe der sogenannten Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch in jedem Quasar messen. In jedem Fall umgab die Scheibe einen kleineren Bereich, der Röntgenstrahlen emittierte, als würde das Scheibenmaterial erwärmt, als es in das schwarze Loch in der Mitte fiel. Das erwarteten sie angesichts der aktuellen Vorstellungen über Quasare. Aber die Innenansicht wird ihnen helfen, diese Begriffe zu verfeinern, sagte Dai.

Der Schlüssel zum Projekt war das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA, mit dem die Astronomen die Helligkeit des Röntgenstrahlungsbereichs jedes Quasars genau messen konnten. Sie koppelten diese Messungen mit denen von optischen Teleskopen, die zum Konsortium für Forschungsteleskopsysteme mit kleiner und mittlerer Apertur und zum Experiment für optische Gravitationslinsen gehören. Die Astronomen untersuchten die Variabilität sowohl der Röntgenstrahlen als auch des sichtbaren Lichts, das von den Quasaren kommt, und verglichen diese Messungen, um die Größe der Akkretionsscheibe in jeder zu berechnen. Sie verwendeten ein Computerprogramm, das Kochanek speziell für solche Berechnungen erstellt hatte, und führten es auf einem Computercluster mit 48 Prozessoren aus. Die Berechnungen für jeden Quasar dauerten ungefähr eine Woche.

Die beiden untersuchten Quasare heißen RXJ1131-1231 und Q2237 + 0305, und sie haben nichts Besonderes, sagte Kochanek, außer dass sie beide durch Gravitationslinsen versehen waren. Er und seine Gruppe untersuchen derzeit 20 solcher Quasare mit Linsen und möchten eventuell Röntgendaten über alle Quasare sammeln.

Dieses Projekt ist Teil einer laufenden Zusammenarbeit zwischen dem Bundesstaat Ohio und dem Bundesstaat Penn. Die Forschung wird von der NASA finanziert. Der Computercluster wurde von Cluster Ohio bereitgestellt, einer Initiative des Ohio Supercomputer Center (OSC), des Ohio Board of Regents und der OSC Statewide Users Group. Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, verwaltet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, kontrolliert Wissenschaft und Flugbetrieb vom Chandra X-ray Center in Cambridge, Massachusetts.

Originalquelle: PSU-Pressemitteilung

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