Aktive Galaxienkerne

Inmitten von großen Galaxien befindet sich vermutlich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Zwar sind diese kompakten Objekte selbst nicht sichtbar, doch die darauf zuströmende Materie kann erstaunlich hell aufleuchten. Astronomen sprechen in diesem Fall von einem aktiven galaktischen Kern oder kurz AGN. Leonard Burtscher vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching erklärte in unserem Podcast, welche Physik sich in solchen Systemen abspielt.

Heller als jeder Stern, jede Supernova oder Galaxie leuchten die sogenannten aktiven galaktischen Kerne. Wegen ihrer englischen Bezeichnung – Active Galactic Nuclei – werden diese auch kurz AGN genannt.

Leonard Burtscher: „Unter einem AGN versteht man eine Galaxie, die ein Schwarzes Loch im Zentrum hat – wie wahrscheinlich die meisten Galaxien. Das Besondere an einem AGN ist, dass dieses Schwarze Loch relativ viel Materie akkretiert. Relativ bedeutet, dass die Strahlung, die von dieser Materie ausgeht, alle andere Emission dieser Galaxie überdeckt. Das heißt, der AGN ist heller als die gesamte restliche Galaxie.“

Leonard Burtscher vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Je nach Beobachtungswinkel und Entfernung von der Erde bezeichnen Forscher die aktiven galaktischen Kerne auch als Quasare, Blazare, Seyfert- oder Radiogalaxien. Die Gebiete, aus denen die Strahlung entweicht, sind in allen Fällen winzig klein, verglichen mit der gesamten Galaxie. Als Maß für die Ausdehnung eines Schwarzen Lochs dient der sogenannte Schwarzschildradius, der direkt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs ist. Würde man etwa unsere Sonne immer weiter zusammenpressen, würde auch sie zum Schwarzen Loch, sobald der Kugelradius den Schwarzschildradius unterschreitet.

„Der Schwarzschildradius der Sonne beträgt drei Kilometer und der Schwarzschildradius eines Schwarzen Loches mit drei Milliarden Sonnenmassen beträgt beispielsweise drei Milliarden Kilometer. Diese Größe ist im Zentrum der größten elliptischen Galaxien nicht unüblich.“

Ein typischer AGN erreicht damit ungefähr die Größe unseres Sonnensystems, während die Heimatgalaxie mehrere Millionen Mal so groß ist. Das Schwarze Loch im Zentrum ist von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben: Diese besteht aus der Materie – also Staub und Gas –, die das Schwarze Loch aufgrund seiner enormen Schwerkraft anzieht.

„Beim Einfallen in das Schwarze Loch muss die Materie Drehimpuls abbauen. Das ist so wie beim Strudel in der Badewanne. Das Wasser fließt nicht einfach aus der Badewanne raus, sondern es strudelt erst einmal um den Abguss herum und dann erst fließt es ab. Nun ist der Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs so winzig im Vergleich zur Galaxie, dass die Materie nicht direkt auf das Schwarze Loch gerichtet sein kann, selbst wenn sie in das Zentrum strömt. Deshalb fließt sie zunächst einmal vorbei. Es bildet sich also eine Umlaufbahn und dann muss das Gas mühevoll diesen Drall, das Drehmoment, abbauen, bis es wirklich hineinfließen kann. Das ist ein sehr komplizierter Prozess, der noch nicht wirklich hundertprozentig verstanden ist.“

Die zentrale Maschine

Bevor die Materie endgültig im Schwarzen Loch verschwindet, heizt sie sich stark auf und gibt energiereiche Strahlung ab, die auch das Gas in der Umgebung zum Leuchten anregt. Astronomen bezeichnen das Schwarze Loch und seine Akkretionsscheibe auch als „central engine“, die zentrale Maschine also, die einen aktiven galaktischen Kern antreibt und erstrahlen lässt. Darüber hinaus weisen einige AGNs noch ein weiteres markantes Merkmal auf.

„Etwa zehn Prozent aller AGNs sind, wie man sagt, radiolaut. Das heißt, das Verhältnis von Leuchtkraft im Radiobereich zur Leuchtkraft im optischen Bereich ist größer als ein bestimmter Faktor. Und wenn AGNs radiolaut sind, haben sie einen Jet. Wann AGNs einen Jet haben und warum sie einen Jet haben, ist nicht klar.“

Region um den Quasar ULAS J1120+0641

Was jedoch klar ist: Die Teilchen in diesen gebündelten Materiestrahlen werden fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und können auf ihrem Weg durch die Galaxie das Gas dort extrem aufheizen. Den ersten aktiven galaktischen Kern namens 3C273 im Sternbild Jungfrau fanden Forscher 1959. Seitdem sind Hunderttausende dazugekommen. Aufgrund ihrer ungeheuren Leuchtkraft kann das Licht der galaktischen Kerne viele Milliarden Lichtjahre durch das All reisen, bevor es auf irdische Teleskope trifft. Daher verwundert es nicht, dass eines der ältesten bislang entdeckten Himmelsobjekte ein AGN ist: Er hat seine Strahlung nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesendet, also vor rund 13 Milliarden Jahren. Allerdings sind AGNs keineswegs nur Bestandteil des jungen Universums – auch in unserer kosmischen Nachbarschaft sind sie zu finden, nur einige Megaparsec weit weg, wobei ein Megaparsec ungefähr 3,2 Millionen Lichtjahren entspricht.

„Einer der nächsten AGNs ist Centaurus A. Zu dem kennt man die Entfernung sehr genau: 3,83 Megaparsec. Aber es gibt in der Entfernung von einigen Megaparsec noch weitere AGNs, zum Beispiel die Circinusgalaxie. Sie liegt genau hinter der Milchstraße und ist deshalb erst in den 1960er- oder 1970er-Jahren entdeckt worden.“

Wissenschaftler schätzen die aktiven galaktischen Kerne daher nicht nur, weil sie Einblicke in ein fernes und längst vergangenes Universums ermöglichen. Sie interessiert auch die Wechselwirkung zwischen einem AGN und der umgebenden Galaxie.

Das Schwarze Loch in der Milchstraße

„Wie beeinflusst der AGN den Rest der Galaxie? Eine Antwort darauf gibt es noch nicht. Es gibt zwei Lager. Die einen behaupten, dass dieses sogenannte AGN-Feedback sehr bedeutend für den Rest der Galaxie ist. Diese Rückkopplung könne letztlich sogar dazu führen, dass das gesamte molekulare Material zum Beispiel in der Form von einem Wind oder einem Jet aus der Galaxie herausgeschleudert wird und damit dann die Sternentstehung zum Erliegen kommt. Und dann wird die Galaxie, wie man so romantisch sagt, red and dead – rot und tot.“

Allerdings gibt es auch Zweifler, die den aktiven galaktischen Kernen keine so destruktive Rolle in der Galaxieentwicklung zuschreiben.

„Die andere Variante ist, dass AGNs letztlich irrelevant dafür sind. Das meint das andere Lager. Deren Meinung: Zwar gibt es diesen Effekt, aber er spielt gar keine Rolle im globalen Haushalt der Galaxie. Eine viel größere Rolle spielt das Verschmelzen von Galaxien, was im frühen Universum sehr häufig auftrat. Durch diesen Verschmelzungsprozess wird die Materie stark verdichtet und es werden sehr viele Sterne geboren. Und danach ist das Material aufgebraucht. Man benötigt also keinen AGN, der das Material entfernt, sondern das Material ist weg, weil es in den Sternen gebunden ist.“

Radiogalaxie Centaurus A

Auch die Milchstraße beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Derzeit strahlt Sagittarius A – so der Name des Schwarzen Lochs – vor allem im Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums. Ansonsten ist es jedoch relativ ruhig. In der Vergangenheit könnte das ganz anders ausgesehen haben.

„Bei der Milchstraße nimmt man an, dass sie vielleicht einmal ein AGN war. Dafür gibt es ein paar Hinweise. Ein Hinweis kommt von dem Gammateleskop Fermi, das eine sogenannte Fermi-Bubble entdeckt hat, die oberhalb der Milchstraße eine Stoßfront vor sich hertreibt. Diese ist im Röntgenbereich und allen möglichen Wellenlängen beobachtet worden. Man sieht also eine große Energieexplosion, die dort mal stattgefunden hat. Interessanterweise passt das Alter, das für die Fermi-Bubble ausgerechnet wurde, relativ gut mit dem Alter der Sterne im Zentrum der Milchstraße zusammen. Diese sind wirklich ganz nah dran am Schwarzen Loch. Vielleicht ist also etwas passiert zu dieser Zeit. Es könnte sein, dass es vor etwa zehn Millionen Jahren einen größeren Ausbruch gegeben hat, der zum einen zu der Stoßwelle geführt hat und zum anderen auch zur Sternentstehung.“

Wenn das Schwarze Loch in der Milchstraße in der Vergangenheit tatsächlich aktiv war, scheinen zumindest die Auswirkungen auf die Erde am Rande der Galaxis recht gering gewesen zu sein: Zu diesem Zeitpunkt war sie nämlich schon längst bewohnt – und zwar nach dem Aussterben der Dinosaurier schon vorrangig von Säugetieren. Ob der Milchstraßenkern in Zukunft nochmals aktiv wird, wissen Forscher nicht. Allgemein scheinen AGNs aber eher ein Merkmal von jungen Galaxien zu sein. Es ist also durchaus möglich, dass die Milchstraße ihre hellsten Zeiten bereits hinter sich hat.