ECAP

AGN
Gliederung:
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Entdeckungsgeschichte:
Klassifikation von aktiven Galaxienkernen
Warum schwarze Löcher ?
Hochenergieeigenschaften der AGN im
Röntgen / TeV Bereich
Entdeckungsgeschichte
Milchstrasse:
5,8⋅1011
●Typus: Spiralbalkengalaxie
(Stand 2005)
●Anzahl der Sterne: zwischen 200 und 400 Milliarden
●Masse: ca.
5,8⋅1011 Sonnenmassen (Stand 2006)
*
A
●Durchmesser: ca. 100 000 Lichtjahre (Lj)
●Radialer Abstand: Zentrum - Sonnensystem: ca. 26 000 Lj
*
●Im Zentrum supermassives Schwarzes Loch: Sagittarius A
ca: 3,7 Mio Sonnenmassen
●direkte Bahnbeobachtung einiger Objekte in der Nähe
vom schwarzen Loch möglich:
Unsere Galaxie ist nur eine unter vielen:
• Messier Katalog (Veröffentlichung 1771)
• Edwin Hubble:
Spiralförmige nebelartige Strukturen liegen
weit außerhalb unserer Galaxis
• Entdeckung unterschiedlicher
Galaxientypen im optischen Bereich
(Stimmgabelschema nach Edwin Hubble)
• neue Beobachtungsart:
Karl Guthe Jansky empfängt
Radiostrahlung aus der Milchstraße.
Entdeckung von Galaxien mit aktivem Kern
(AGN Active Galactic Nuclei)
• Seyfert Galaxien:
1943 publizierte Carl Keenan Seyfert Arbeit über Galaxien mit
besonders hellen Kernen
• Radiogalaxien:
späte 50er, Entdeckung von starken Radioquellen am Himmel.
Zuordnung zu den optischen Gegenstücken gelang 1960.
• Quasare:
Marteen Schmidt klärt deren Entfernung auf.
Klassifikation der AGN
Klassifikation der AGN
• Seyfert Galaxien:
• Seyfert Galaxien:
– Spiral oder Irreguläre Galaxien
– starke Strahlung über weite Bereiche des
elektromagnetischen Spektrums
– Veränderliche Intensität.
– Klassifizierung in die Typen 1 + 2
VereinigungsTheorie
– LINER (low ionisation nuclear emission line region galaxies)
• optische Spektrum ist dem der Seyfert 2 Galaxien sehr
ähnlich, aber schwächeres Kontinuum
Klassifikation der AGN
• Seyfertgalaxien
• Radiogalaxien:
• Radiogalaxien:
– intensive Radiostrahlung
– im optischen Bereich mit die hellsten Objekte
Leistung oft noch größer im Radiobereich
– meist elliptischer Galaxientyp
– Unterscheidung zweier unterschiedlicher Klassen:
• FR1 / FR2, aber Ursache unbekannt
– Entstehung der Radiostrahlung:
• Synchrotron Strahlung
• durch Auftreffen der Jets auf Materie im
intergalaktischen Medium.
Klassifikation der AGN
• Seyfert Galaxien
• Radiogalaxien:
• Quasare:
• Quasare:
quasi stellar Radio sources
QUOs: quasistellar Objects
– hellste AGN (100 Milliarden mal heller als die Sonne)
– am weitesten entfernte Objekte im Universum
– Alle Quasare zeigen mindestens ein bisschen
Radiostrahlung
– Existens von ca 10 x mehr radioleisen QSOs als
radiolauten
– Ähnlichkeiten zu Seyfertgalaxien:
• schwächere Absorbtions eigenschaften der Galaxie und
schwächere narrow lines
• Spektrum
• Kontinuierlicher Übergang zwischen leuchtkräftigsten
Seyfert-Galaxien und den Quasaren
− 
F =A⋅
Klassifikation der AGN
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•
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Seyfert Galaxien
Radiogalaxien:
Quasare:
Blazare:
• Blazare:
– Schnelle und intensive Schwankungen in der Amplitude
– Unterklassen:
• Optically Violent Variables (OVVs )
• BL Lac Objects:
– Virtuelle Abwesenheit von Emissionslinien im Spektrum
– In schwachen Phasen zeigen BL Lac Objecte ein Spektrum
mit breiten Emissionslinien
– (stark polarisierte Synchrotonstrahlung)
Warum supermassive schwarze Löcher ?
Warum supermassive schwarze Löcher ?
• Wichtigste Eigenschaften schwarzer Löcher
• Lösungen der Feldgleichung für schwarze Löcher werden in
speziellen Metriken beschrieben:
– Schwarzschild
Größte Bedeutung
– Kerr
– Reissner-Nordström
– Kerr-Newman
• Schwarzschildlösung:
– Konsequenzen:
• Ereignishorizont
– Schwarzschildradius
– Eingefrorener Bewegungszustand
• Masse in Singularität gefangen
• Extrem gekrümmte Raumzeit für ein schwarzes Loch
• Schwarzschildradius: r S =
2G m
c2
• Schwarzschildradius in Sonnenmassen:
: 2,95km
–1
: ca.4X Sonnenradius (3 Mio. km)
– 1 Mio.
: ca 15 AE ( 3 Mrd. km)
– 1 Mrd.
(Abstand :
Sonne - Uranus)
• Kerrlösung
– Konsequenzen:
• Ergossphäre: Objekte innerhalb
bekommen aufgezwungenen Drehimpuls
• Existenz zweier Horizonte.
– Äußere: Einleitung zur Ergossphäre
– Innere : Ereignishorizont
• Rotationsgeschwindigkeit: max. c
• Ringsingularität im Innerem des SL
• Ereignishorizont Form eines Paraboloiden.
– Entlang Drehachse für Schwarzschild und Kerr Loch
gleich
Gm
– Am Äquator bei a= 0,99 Radius: 2
c
• Energieeffizienz
– Schwarzschildloch: ≈5,7 % (a= 0)
– Kerrloch: ≈42 % (a= 0,99) (vgl. Proton-Proton Zykl. 0,7%)
– Vermutung:
• größte Teil der umgewandelten Energie geht in Jets
• kleinere Teil in EM- Strahlung
• Die Leuchtkraft eines AGNs proportional zur Akkretionsrate.
– Hier Annahme: Akkretionsscheibe Enstehungsort EMStrahlung
– Eddingtion Leuchkraft:
Strahlungskraft = Gravitationskraft
LE
4 G c m p
31
−1
Ṁ E = 2
L E=
M ≈1,3⋅10
J⋅s
c
e
– Zuviel EM-Strahlung: Verhinderung von Akkretion
Ṁ ≈ Ṁ Edd : sehr aktiver Kern , L Kern ≈ L Edd ⇒ Quasar o.ä.
Ṁ ≪ Ṁ Edd : schwach aktiver Kern , L Kern ≪ L Edd ⇒ Seyfertgalaxie
Ṁ ≈0 : Inaktiver Galaxienkern , L Kern≈0 ⇒ Normale Galaxie
• Was spricht für massives schwarzes Loch ?
– Große Variabilitäten in der Leuchtintensität der AGN
• Begrenztheit der Lichtgeschwindigkeit a
sehr kompaktes Objekt in dem Strahlung produziert
wird
– Leuchtkraft milliardenfach größer als Sonne
• solch kompakte Sternhaufen unmöglich.
– Spektrale Eigenschaften der Strahlung: a keine Sterne.
– Beobachtung relativistischer Jets
– Unsere Milchstraße beherbergt schwarzes Loch.
Bahnbewegung einzelner Sterne ergibt direkt Rückschlüsse
auf Masse des SL
Warum supermassive schwarze Löcher ?
• Wichtigste Eigenschaften schwarzer Löcher
• Vereinheitlichende Theorie
• Vereinheitlichende Theorie für alle AGNs (Mitte der 80er)
– Annahme eine supermassiven SL als „Motor“ der AGN
allgemein akzeptiert.
– Blickwinkel entscheidet was für ein AGN erscheint:
(Radiogalaxie, Quasar, Blazar)
Warum supermassive schwarze Löcher ?
• Wichtigste Eigenschaften schwarzer Löcher
• Vereinheitlichende Theorie
• Vergleich zu stellaren schwarzen Löcher
• Beide haben gleichen Mechanismus
– Spektren sind nicht zu unterscheiden
• Größter Unterschied: Größenskala
Hochenergieeigenschaften der AGN
im Röntgen und TeV Bereich
Hochenergieeigenschaften der AGN
im Röntgen und TeV Bereich
• Modell zur Erzeugung hoher Energien
• Standard Vorstellung für die Erzeugung der gemessenen
Energiespektren:
– Ursache: Inverse Compton Streuung
• Streuung niederenergetischer Photonen an schnellen Elektronen
(Energiegewinn)
– Untermauerung der These:
• Definition eines Verstärkungsfaktor pro Streuung:
 E 4kT− E
A=
=
2
E
me c

E
E
aus Herleitung der Comptonstreuung

• Streuung kann k mal stattfinden:
E k =E i A k
E k =Energie nach k maliger Streuung
E i =Anfangfangsenergie Photon
=
• Berücksichtung der Streuwahrscheinlichkeit pk e =ek
ln e
ln A
 
E
folgen die Proportionalitäten: N E k ~N  E i  Ak ~N E i  k
Ei
−
aPotenzgesetz stimmt sehr gut mit gemessenen Werten überein.
• Berücksichtigung relativistischer Effekte bei Emissionsspektren:
z.B Fe K 
•
– gravitative Rotverschiebung
– Relativistischer Dopplereffekt
Enstehung der  - Quanten im TeV Bereich:
– Jets sind Ursache:
• leptonische Modell
– rel. Elektronen im Jet + Magnetfeld
a Synchroton Strahlung
– rel. Elektronen
» streuen an Synchrotonstrahlung (SSC)
» streuen an Photonen z.B. aus der
Akkretionsscheibe (EC)
a
TeV - Strahlung
• Hadronische Modell
– Erklärung durch Nachbeschleunigung von normaler
Materie im Jet
– Über Wechselwirkung mit anderen Photonen (z.B
Synchroton)können neutrale Pionen erzeugt werden
– Zerfall in Photonen und lösen durch Paarerzeugung
leptonische Kaskade aus
» (S-PIC) Wenn eigene Photonen bei dem inversen
Compton Prozess beteiligt
» (E-PIC) wenn Photonen auf ein externe (Saat)
Photonenfeld treffen.
a TeV - Strahlung
Hochenergieeigenschaften der AGN
im Röntgen und TeV Bereich
• Modell zur Erzeugung hoher Energien
• Messmethoden
• Röntgenstrahlung wird von der Atmosphäre absorbiert
– niederenergetische Photonen im Röntgenbereich
• Röntgensatelliten
– Prinzip: Totalreflexion bei schrägem Lichteinfall
(Wolter Teleskop)
– moderne Röntgen Satelliten:
» Chandra (1999 USA)
» XMM – Newton (1999 EU)
» Astro E-2 (2005 Japan)
– Winkelauflösung ähnlich optischen Teleskopen
(Chandra: max. 0,5“ )
– Energiespektrum bei Astro E-2 (0.4 – 100 keV)
• Detektion von TeV Strahlung
1 Photon
– auftreffende TeV Strahlung seltenes Ereignis:
s⋅km 2
• Große Detektorfläche von Vorteil
– Tscherenkow Astronomie:
•  - Strahlung im TeV Bereich erzeugt Teilchenschauer
– Erzeugung von Tscherenkow Licht
kolliminiert in einem Kegel von 1°
– Tscherenkow Teleskope z.B. H.E.S.S.
−9
• Zeitauflösung 10 s
– Ursprung: Hintergrundlicht n Tscherenkow
• Durch Verbund mehrerer Teleskope gute Ortsauflösung
möglich (0,1° / 3600 mal schlechter als Hubble)
• Messbare Energien 100 GeV – 10 TeV
• Energieauflösung < 20% der Energie des
Primärteilchens (H.E.S.S.)
Literatur:
• Wikipedia (en): Active galactic nucleus
• Knut Janke: (Seminarvortrag) Galaxien, Quasare Schwarze
Löcher
• Martin Rees: Black Hole Models for active Galactic Nuclei
• David J. Axon: „evidence of the torus, past, future and
elsewhere: The unified theory of active Galactiv Nuclei“
• J.M. Moran & L.J. Greenhill: Observational Evidence for
Massive Black Holes in the Centers of Active Galaxies
• Heidrun Bojahr (Dissertation): Suche nach TeV Blazaren mit
dem Hegra System der abbildenden Cherenkov- Teleskope