Die X-Akten der Astronomie: Moduliert da etwa jemand Galaxienkerne?

Ein Eintrag im Anomalienkatalog sollte hellhörig machen: "Kohärente optische Picosekunden-Variabilität eines aktiven galaktischen Kerns". Unbeeindruckt? Moment!

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Von
  • Alderamin
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Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt, Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber überall wird die Fantasie angeregt.

In einer Artikelserie auf heise online werden wir in den kommenden Wochen einige solcher astronomischen Anomalien aus einer jüngst vorgestellten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Erklärungsversuche bislang an ihnen scheitern.

Die X-Akten der Astronomie

In der Astronomie gibt es immer wieder Beobachtungen, die erst einmal nicht zu erklären sind. Während einige dahinter gleich Außerirdische vermuten, erwarten sich andere neue Erkenntnisse über die Natur des Universums. Spannend sind sie allemal. heise online wirft einen Blick auf einige dieser bis dato nicht zu erklärenden Anomalien.

Galaxien sind Welteninseln wie unsere Milchstraße (altgriechisch: Γαλαξίας κύκλος – galaxias kyklos, "milchiger Kreis"), die aus hunderten Milliarden von Sternen bestehen. Erst zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts fanden die Astronomen heraus, dass die seltsamen "Spiralnebel" Millionen Lichtjahre weit entfernt sind und aus Sternen bestehen. Hingegen sind Gasnebel wie der Orionnebel Wolken aus Wasserstoff, Helium und Staub, die vom ultravioletten Licht junger Sterne zum Leuchten angeregt werden, Teil unserer Milchstraße. Die neblige Erscheinung der Galaxien – nicht alle sind spiralförmig – rührt daher, dass die Sterne zu lichtschwach sind, um einzeln gesehen werden zu können, und sich ihr gemeinsamer Schein zu einem nebligen Wölkchen vermengt.

Galaxien sind riesig und verändern sich so langsam, dass sie uns wie Gemälde erscheinen. Einige Galaxien gelten hingegen als „aktiv“: sie strahlen entweder Emissionslinien (Seyfert-Galaxien), Radiostrahlung (Radiogalaxien) oder harte Röntgen- und Gammastrahlung aus. Manche variieren sogar binnen Stunden bis Wochen in ihrer Leuchtkraft (Blazare). Viele stoßen Jets aus, Materiestrahlen oft nahezu lichtschneller Teilchen. Die meisten aktiven Galaxien zeigen mehrere der vorgenannten Effekte, und diese haben ihren Ursprung stets im Zentrum der Galaxie.

Die kurzfristigen Helligkeitsschwankungen der Blazare weisen darauf hin, dass die Quelle höchstens Lichtstunden bis Lichtwochen groß sein kann, das heißt, wir reden über die Abmessungen von der Größe des Sonnensystems – eine Lichtstunde verhält sich zum Durchmesser einer Galaxie ungefähr wie eine Centmünze zum Durchmesser der Erde. Das ist viel zu klein, um von irdischen Teleskopen aufgelöst werden zu können, abgesehen von radioastronomischer Interferometrie. Das vielleicht berühmteste Beispiel ist die Radiogalaxie Messier 87, die einen prominenten Jet besitzt, und deren zentrales Schwarzes Loch als erstes Objekt seiner Art radioastronomisch aufgelöst und abgebildet werden konnte.

Mittlerweile weiß man, dass ihnen allen der gleiche Mechanismus zugrunde liegt: alle Galaxien haben ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Kern, aber üblicherweise, wie bei unserer Milchstraße, ist dieses inaktiv und still. In aktiven Galaxien wird es hingegen "gefüttert": einfallendes Gas stürzt hinein, das sich zuvor in einer Akkretionsscheibe sammelt und derart aufheizt, dass es optisch und am Innenrand der Scheibe bei noch kürzeren Wellenlängen wie UV- und Röntgenstrahlung leuchtet.

Künstlerische Darstellung eines aktiven Galaxienkerns mit Jets und dunklem Staubtorus

(Bild: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO))

Im heißen Gas verlieren die Atomkerne ihre Elektronenhüllen, es entsteht ein Plasma aus geladenen Kernen und Elektronen. Ihr Herumwirbeln erzeugt elektrische Ströme, die wiederum Magnetfelder erzeugen, welche auf die Teilchen zurück wirken und einen großen Teil von ihnen entlang der Drehachse der Scheibe fortschleudern: so entstehen die Jets. Beschleunigte Ladungsträger strahlen wiederum Radiostrahlung ab. Weiter außen umgibt die Scheibe ein langsam kreisender Torus aus Staub und Gas, der in Seitenansicht die Akkretionsscheibe verdeckt, so dass nur die Radiostrahlung nach außen dringt. In dem Fall handelt es sich um eine Radiogalaxie. Sieht man über den Torusrand hinweg die leuchtende Scheibe, handelt es sich um eine Seyfertgalaxie. Schaut man genau von oben in den Jet hinein und sieht dessen turbulentes Flackern, handelt es sich um einen Blazar.

All diese Erscheinungen fasst man heute unter dem Begriff "aktive Galaxienkerne" oder AGN (Active Galaxy Nuclei) zusammen. Nun berichtet Ermanno F. Borra von der kanadischen Universität Laval in einer Arbeit aus dem Jahre 2013, erschienen im renommierten Astrophysical Journal, er habe periodische Modulationen in der Größenordnung von 0,1 Picosekunden (Billionstel Sekunden) im Licht einiger AGNs gefunden. Das würde bedeuten, dass sie auf eine Quelle zurückgehen müssen, die selbst kleiner ist als die Strecke, die das Licht in dieser Zeit zurücklegen kann, denn jede natürliche Ursache müsste sich über die gesamte ausstrahlende Fläche synchronisieren, was höchstens mit Lichtgeschwindigkeit möglich ist.

Und wie weit breitet sich Licht in 0,1 Picosekunden aus? 0,03 Millimeter. Nullkommanulldrei! Millimeter!! Und eine mithin maximal 0,003 mm² messende Fläche müsste somit verantwortlich sein für eine Modulation des Lichts eines aktiven Galaxienkerns, die über Millionen Lichtjahre noch nachweisbar ist, zum Beispiel durch Herrn Borra. Wie soll das funktionieren?