Supermassereiche Schwarze L¨ocher in Galaxienzentren
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Ralf Bender Schwarze Löcher Supermassereiche Schwarze Löcher in Galaxienzentren Ralf Bender Sternwarte der Universität München Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik Garching Januar 2002 1 Ralf Bender Schwarze Löcher Was sind schwarze Löcher? Eine Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie. Wenn man Masse über eine bestimmte Grenze (den Schwarzschildradius) hinaus komprimiert, kann selbst Licht nicht mehr von der Oberfläche entweichen. Würde man die Sonne zu einem schwarzen Loch komprimieren, hätte sie einen Radius von nur 3km! Ein schwarzes Loch von 1 Million Sonnenmassen hat einen Radius von 3 Millionen km. Körper, die auf ein schwarzes Loch einfallen, erreichen an seiner Oberfläche Lichtgeschwindigkeit. Läßt man Materie durch gegenseitige Reibung in ein schwarzes Loch spiralen, wird potentielle Energie (Schwerkraftenergie) in Strahlung umgewandelt. Bei schwarzen Löchern können bis zu 10% dieser akkretierten Masse nach E = mc2 in Energie umgewandelt werden (1g liefert 9 Milliarden kWh). Schwarze Löcher spielen eine wichtige Rolle in der theoretischen Physik an der Grenzlinie zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie. Gibt es schwarze Löcher wirklich? Und wie findet man sie? Januar 2002 2 Ralf Bender Schwarze Löcher Eines der entferntesten bekannten Objekte im Universum: ein Quasar mit einer Rotverschiebung von z = 5.8 bzw. Entfernung von ca 13 Milliarden Lichtjahren bei einem Weltalter von 14 Milliarden Jahren (Sloan Digital Sky Survey). Januar 2002 3 Ralf Bender Schwarze Löcher Quasare und Aktive Kerne: Quasar PG 0052+051 (z=0.155, ca. 2 Milliarden Lj. Entf., HST), rechts M101 (Wendelst.) Quasare finden sich in Galaxienkernen und zeigen optische Leuchtkräfte bis zu: Lnuc ' 1012 − 1015L, d.h. sie sind bis zu 10000 Mal heller als die Galaxien selbst. Januar 2002 4 Ralf Bender Schwarze Löcher NGC 383 (= 3C31), eine Radio-Galaxie, blau: optisch, rot: Radio (A. Bridle) Radio-Leistungen bis zu Lradio ∼ 1011L von Radiojets mit Ausdehnungen von bis zu Millionen Lj. (erfordert Langzeit-Stabilität der zentralen Maschine). Januar 2002 5 Ralf Bender Schwarze Löcher Der optische Jet der nahen Radio-Galaxie M 87 (zentrale Galaxie des Virgohaufens in 50 Mio. Lj. Entfernung): Der Jet ist hoch kollimiert und Schocks sind im Jet sichtbar. Die Elektronen im Jet rotieren um die Magnetfeldlinien und senden Radiowellen und sogar optisches Licht aus. Das erfordert wiederholte Beschleunigung der Elektronen mit Spannungen von ca einer Billion Volt. Januar 2002 6 Ralf Bender Schwarze Löcher RadioBeobachtungen und die schnelle Variabilität der Aktiven Kerne zeigen, daß die extremen Leuchtkräfte in einem sehr kleinen Volumen von unter einem Lichtjahr, eventuell sogar nur von der Größe des Sonnensystems erzeugt werden. Januar 2002 7 Ralf Bender Schwarze Löcher weitere Eigenschaften: Schnelle Variation der Leuchtkräfte innerhalb von Tagen bis Monaten. Röntgen und Gamma-Strahlung schraubt die Energieanforderungen in vielen Fällen weiter nach oben. Die maximale Raumdichte von Quasaren wird ca 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall (z ∼ 2.5) erreicht. 1% aller Galaxien enthält damals einen Quasar, heute sind es nur noch 0.001%. Wenn Quasare lang leben (ca. Milliarden Jahre), dann sollte nur 1% aller Galaxien heute einen toten Quasar enthalten. Andererseits, wenn die Quasarphase nur einige 10 Millionen Jahre dauert, dann könnte heute jede leuchtkräftige Galaxie einen toten Quasar enthalten. Januar 2002 8 Ralf Bender Schwarze Löcher ⇓ Nur supermassereiche schwarze Löcher können alle Beobachtungstatsachen erklären (Zel’dovich 1963): Mit Kernenergie können nach E = mc2 nur 0.6% der Masse in Energie verwandelt werden, während die Akkretion auf ein schwarzes Loch ∼ 10% der Ruhemasse als Energie freisetzen kann. Die große träge Masse und der Drehimpuls eines schwarzen Loches können die Langzeitstabilität der Jets erklären. Da die Materie in der Nähe des schwarzen Loches sehr schnell rotiert und dabei die Magnetfelder mitreißt, kommt es zur Ausbildung einer mit Lichtgeschwindigkeit rotierenden Magnetosphäre, die Teilchen besser beschleunigen kann, als jeder irdische Beschleuniger. Dies ist die einzig plausible Erklärung für die Entstehung von Jets und die dabei beobachteten hochenergetischen Phänomene. Januar 2002 9 Ralf Bender Schwarze Löcher Die Schlüsselfragen: Wie können wir schwarze Löcher finden? Und wie können wir sicher sein, daß es nicht andere ‘dunkle Objekte’ sind, wie z.B. ein Neutronensternhaufen oder ein Cluster aus weißen Zwergen? Wo finden wir die massereichen schwarzen Löcher, die als Überbleibsel des Quasarzeitalters vorhanden sein müßten, im lokalen Universum? Falls wir schwarze Löcher in Galaxienzentren finden, wie hängt ihre Masse von den Eigenschaften der Muttergalaxie ab? Wann und wie wurden die ersten schwarzen Löcher gebildet? Wie wirkt sich ein schwarzes Loch auf die Entwicklung und heutige Struktur der Muttergalaxie aus? Januar 2002 10 Ralf Bender Schwarze Löcher Wie finden wir massereiche schwarze Löcher? → Nach Keplers 3. Gesetz nehmen die Geschwindigkeiten um einen Himmelskörper mit dem Abstand wie folgt ab (G = Gravitationskonstante): Masse Geschwindigkeit = G Radius 2 1 oder: Geschwindigkeit ∼ √ Radius Dieses Gesetz folgt aus dem Gleichgewicht zwischen der Anziehung der Sonne und der Fliehkraft einer Kreisbahn. Man bestimmt die Umlaufgeschwindigkeiten von Merkur, Venus, Erde, Mars um die Sonne zu 48, 34, 30 und 24 km/s, entsprechend den Umlaufzeiten von 88, 225, 365 und 686 Tagen. Hätte die Sonne die vierfache Masse, würden die Planeten doppelt so schnell umlaufen. Januar 2002 11 Ralf Bender Schwarze Löcher Analog verhalten sich Sterne, die auf zufälligen Bahnen ein schwarzes Loch umkreisen: Januar 2002 12 Ralf Bender Schwarze Löcher Das nahegelegenste Studienobjekt: das Zentrum der Milchstraße: Januar 2002 13 Ralf Bender Schwarze Löcher Eigenbewegungen der Sterne im Zentrum der Milchstraße (Infrarot-Beobachtungen von Genzel und Mitarbeitern). Hieraus läßt sich die Masse im Zentrum der Milchstraße bestimmen. Würde das Zentrum nur aus Sternen bestehen, müssten die inneren Sterne sich sehr langsam bewegen, da nur die Schwerkraftanziehung der noch weiter innen befindlichen Sterne auf sie wirkt. Tatsächlich nehmen die Geschwindigkeiten zum Zentrum hin aber zu, was eine zusätzliche, aber nicht sichtbare und sehr kompakte Masse erfordert. Januar 2002 14 Ralf Bender Schwarze Löcher Januar 2002 15 Ralf Bender Schwarze Löcher Januar 2002 16 Ralf Bender Schwarze Löcher Schwarze Löcher in externen Galaxien: Wie findet man sie? Wie bestimmt man ihre Masse? Da schwarze Löcher extrem kompakt sind, braucht man sehr gute räumliche Auflösung, um sie nachzuweisen. Objekt Entfernung in Masse des SLs Geschwindigkeit Einfluß-Sphäre Millionen Lj. in Sonnenmassen der Sterne in km/s in Bogensekunden Milchstraße 0.025 3 Millionen 100 40 Andromeda M 31 2 30 Millionen 160 1.5 Milchstraße in Virgohaufen 50 3 Millionen 100 0.02 Andromeda in Virgohaufen 50 30 Millionen 160 0.07 große Virgo-Ellipse 50 1 Milliarde 300 0.6 in Formeln: RE GMBH ' , 2 σG or : αE ' 100 MBH 2 · 108 M σG 200km/s −2 D 5Mpc −1 Problem: 1 Bogensekunde ist typischerweise die Auflösung, die bodengebundene Teleskope liefern können. Aus diesem Grund, war es bis vor wenigen Jahren nur für wenige nahe Galaxien gelungen, schwarze Löcher nachzuweisen. Januar 2002 17 Ralf Bender Schwarze Löcher Der Durchbruch: das Hubble-Space-Telescope Es liefert bis zu 10x bessere Auflösung als Teleskope am Boden (ca 0.1 Bogensekunde). Januar 2002 18 Ralf Bender Schwarze Löcher Der nächste Nachbar: die Andromedagalaxie (M31, NOAO-Aufnahme) Januar 2002 19 Ralf Bender Schwarze Löcher Das Zentrum der Andromedagalaxie (Wendelstein, Auflösung: 1.1”) Januar 2002 20 Ralf Bender Schwarze Löcher Sterngeschwindigkeiten im Zentrum der Andromedagalaxie Canada France Hawaii Telescope, Auflösung 0.6”, Kormendy & Bender 1999 Januar 2002 21 Ralf Bender Schwarze Löcher Sternbahnen um das schwarze Loch (nach Tremaine 1997). Die Sterne bewegen sich schnell im Perizentrum und sind langsam im Apozentrum. Daher wird im Apozentrum länger Licht ausgestrahlt und es ‘entsteht’ der hellere rechte Nukleus. Unsere HST Messungen zeigen, daß die Sterne im Perizentrum Geschwindigkeiten bis über 400km/s erreichen. Im dem kompakten blauen Sternhaufen, der das schwarze Loch beherbergt, erreichen die Sterne Geschwindigkeiten sogar mehr als 1500km/s. Echtfarbenaufnahme der inneren 30 Lichtjahre der Andromedagalaxie (M31) mit dem so genannten Doppel-Nukleus (Aufnahme: Hubble Space Telescope, Auflösung 0.05”). Ein schwarzes Loch von 30 Millionen Sonnenmassen befindet sich in dem blau-weißen ultrakompakten Nukleus. Januar 2002 22 Ralf Bender Schwarze Löcher Sternbahnen um das schwarze Loch. Projezierte Sterndichte µ, Rotationsgeschwindigkeit V und ungeordnete Sterngeschwindigkeit σ (Dispersion) entlang der Verbindungslinie der beiden Kerne von M31. 1 Bogensekunde (arcsec) = 10 Lichtjahren. SIS: Geschwindigkeiten gemessen mit dem Canada-France-Hawaii Teleskop, Kormendy and Bender 1999. STIS: Geschwindigkeiten gemessen mit dem Hubble Space Telescope, Bender, Kormendy et al. 2002. Januar 2002 23 Ralf Bender Schwarze Löcher Massenbestimmung schwarzer Löcher aus rotierenden Gasscheiben Die zentrale Gasscheibe in der elliptischen Galaxie M 84. Die Rotationsgeschwindigkeit fällt ab wie es aus dem Keplerschen Gesetz für eine sehr kompakte Masse erwartet wird (∼ r−1/2). Die Masse kann direkt aus M = V 2R/G bestimmt werden. Januar 2002 24 Ralf Bender Schwarze Löcher Die wichtigsten Ergebnisse der letzten Jahre: Die Mehrzahl aller nahen normalen Galaxien enthält supermassereiche schwarze Löcher von einer Million bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen. Die Masse der schwarzen Löcher korreliert mit der Sphäroid-Leuchtkraft (Masse), nicht der Gesamtleuchtkraft der Galaxien. Neben der Masse des Sphäroids spielt auch seine Dichte ein Rolle. Höhere Dichte bei gleicher Masse bewirkt eine höhere Masse des schwarzen Loches. Januar 2002 25 Ralf Bender Schwarze Löcher Masse der schwarzen Löcher M• gegen die Galaxienleuchtkraft MB,total und die SphäroidLeuchtkraft (MB,Bulge, Bulge = Sphäroid). Elliptische Galaxien: blau, Sphäroide: rot, Galaxien ohne Sphäroid (reine Spiralen): grün. (aus Daten des Nuker Teams: Richstone, Bender, Bower, Dressler, Faber, Filippenko, Gebhardt, Green, Grillmair, Ho, Kormendy, Lauer, Magorrian, Pinkney, und Tremaine; sowie Merritt et al.) Januar 2002 26 Ralf Bender Schwarze Löcher Die Massen der schwarzen Löcher korrelieren am engsten mit der mittleren Sterngeschwindigkeit σ der Sphäroide und damit einer Kombination aus ihrer Masse und Dichte: MBH ∼ σ ∼4. (Nuker Team 2000; Merritt and Ferrarese 2000). Januar 2002 27 Ralf Bender Schwarze Löcher Haben wir wirklich schwarze Löcher gefunden? Alternative Erklärungen für die dunkle Masse in Galaxienzentren sind kompakte Haufen aus Braunen Zwergen, Neutronensternen, Weißen Zwergen oder kleinen Schwarzen Löchern. Im Falle der Milchstraße und der Galaxie NGC 4258 sind die Randbedingungen an die Größe der Haufen aber so stark, daß sogar unter den günstigsten Annahmen diese Haufen nur eine relativ kurze Zeitüberleben könnten. Braune Zwerge würden kollidieren und verschmelzen und leuchtende Sterne bilden, Haufen aus Sternleichen würden sich aufgrund dynamischer Effekte auflösen. In allen anderen Galaxien können die AlternativErklärungen noch nicht ausgeschlossen werden, jedoch sind sie unplausibel, da man nicht weiß wie sich solch kompakte Haufen aus Sternleichen bilden könnten. Januar 2002 28 Ralf Bender Schwarze Löcher Röntgen Beobachtungen in der Eisen K-Linie (6.4 keV) in aktiven Kernen (Nandra et al. 2000). Die Linien werden von sehr heißem Gas emittiert, das Rotationsbewegungen von fast einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit zeigt. Das Zentrum der K-Linie ist außerdem gravitationsrotverschoben, was ein direkter Hinweis auf die Existenz eines schwarzen Loches ist. Gegenwärtig sind allerdings genaue Massenbestimmungen noch nicht möglich. Januar 2002 29 Ralf Bender Schwarze Löcher Zusammenfassung: Wahrscheinlich enthalten alle Galaxien mit Sphäroiden auch massereiche schwarze Löcher. Demnach haben alle massereichen Galaxien früher einen Quasar beherbergt. Ungefähr 0.2% der Sphäroidmasse findet sich im schwarzen Loch. Dieser Prozentsatz ist ausreichend um die Gesamtleuchtkraft aller Quasare zu erklären. Offensichtlich verlaufen Bildung der schwarzen Löcher und Entstehung der Galaxien in engem Wechselspiel. In Zukunft werden vor allem neue Verfahren am Boden (Adaptive Optik) und noch grössere Teleskope die Messgenauigkeit weiter erhöhen und neue Erkenntnisse liefern. die Zukunft → Januar 2002 30 Ralf Bender Schwarze Löcher Overwhelmingly Large Telescope (100m Spiegeldurchmesser), ESO Studie. Januar 2002 31 Ralf Bender Schwarze Löcher OWL, Illustration zur räumlichen Auflösung Januar 2002 32 Ralf Bender Schwarze Löcher Januar 2002 33
