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Schwarze Löcher in
Zentren von Galaxien
• Zentrales Schwarzes Loch der Milchstrasse
• Suche nach SMBHs
• Zusammenhang SMBH-Bulge
Einführung in die extragalaktische Astronomie
Prof. Peter Schneider & Dr. Patrick Simon
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Zentrales Schwarzes Loch der Milchstrasse
Eigenbewegung von Sternen innerhalb der zentralen ~ 10 pc der Galaxis
läßt Schluss zu, dass sich innerhalb eines Radius von maximal ~ 0.01 pc
Masse von ~ 4 x 106 Msun konzentriert.
1 2
M (< r) = v (r)r
G
M(<r)
Punktmasse
selbstgravitierende
isotherme Sternverteilung
Quelle: Schödel et al. (2003), ApJ, 596, 1015
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Weiterhin ist allgemein akzeptiert, dass Energie der AGN-Akivität durch
Akkretion von Materie auf ein SMBH erzeugt wird.
Es stellen sich folgende Fragen:
• Enthalten alle (oder die meisten)
Galaxien im Kern ein SMBH?
• Was unterscheidet “normale” Galaxie
Illustration ESA/V. Beckmann
(NASA-GSFC)
von AGN? Masse des SMBH oder die
Effizienz der Energieumwandlung im AGN?
• Wie kann man nach SMBHs in Galaxien
suchen?
• In welchem Zusammenhang steht Masse
des SMBHs mit Eigenschaft der Galaxie?
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Was ist ein Schwarzes Loch?
Für unsere Zwecke ist es ausreichend, ein Schwarzes Loch (BH) als eine
ideale Punktmasse zu betrachten.
“Entdeckung” von BHs geschah u.a. durch J. Michell (1783) und
P.-S. Laplace (1795) mit einem Gedankenexperiment:
Verkleinert man Radius r eines massiven Objekts mit Masse M, so ändert sich
die Fluchtgeschwindigkeit von dessen Oberfläche:
!
2GM
vesc =
r
Bei genügend kleinem Radius wird vesc gleich der
Lichtgschwindigkeit c, nämlich beim SchwarzschildRadius:
2GM
rs :=
c2
Pierre-S. Laplace
John Michell
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Ein Schwarzes Loch ist die “einfachste” Lösung der Einsteinschen ART, die das
Gravitationsfeld (Metrik) um eine Punktmasse herum beschreibt.
Sie wurde von K. Schwarzschild (1916) entdeckt.
Für unsere Zwecke: BH ist eine Massenkonzentration mit Radius kleiner als
der Schwarzschild-Radius rs:
!
"
M
rs ≈ 3 km
M!
Simulation
Karl Schwarzschild
Schwarzes Loch
als Gravitationslinse
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Für BH im galaktischen Zentrum ist rs ~ 1010 m ~ 0.07 AU.
➠ bei D = 8 kpc entspricht dies einem Winkelradius von ~ 6 μas.
Beobachtungen sind (noch) nicht in der Lage, Skalen der Größenordnung rs
zu untersuchen.
Z.B. sind höchste beobachtete Geschw. von Sternen (S-02) im GC etwa
5000 km/s, weit entfernt von c und damit dem Ereignishorizont.
ART Raytracing-Simulation des
galaktischen BHs;
links: radial einfallendes Gas;
rechts: Gas auf Keplerbahnen.
rotierend
μas
Quelle: Falcke, H. et al. (2000),
ApJ, 528, 30
nicht rotierend
μas
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Aber: relativistische Geschwindigkeiten von Radio-Jets sind sehr guter
Hinweis auf ein BH.
Generell wird also Suche nach SMBHs in Galaxien von indirekter Natur sein.
Betrachte Massenkonzentration (z.B. Sternhaufen) im Kern einer Galaxie mit
charakteristischer Geschwindigkeitsdispersion σv im zentralen Bereich...
...und einem BH mit Masse MBH Zentrum der Massenkonzentration.
Einfluss des BHs macht sich bemerkbar, innerhalb Radius rBH, für den KeplerGeschwindigkeit v2 = GMBH/rBH vergleichbar ist mit σv, d.h. bei:
rBH
GMBH
=
∼ 0.4 pc
2
σv
!
MBH
106 M!
"!
σv
100 km/s
"−2
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Hat Galaxie eine Entfernung von D, dann entspricht dieser Bereich einem
Winkel von:
!
"!
"−2 !
"−1
MBH
rBH
GMBH
σv
D
!!
θBH =
∼
∼ 0.1
2
D
σv D
106 M"
100 km/s
1 Mpc
Daraus folgt:
• Suche nach BHs hängt sehr stark von erreichbarer Winkelauflösung ab;
HST hat riesigen Sprung auf diesem Gebiet erlaubt;
• nur für relativ nahe Galaxien wird man so nach SMBHs suchen können;
• je größer D und je größer σv, umso größer muss MBH sein, um
nachgewiesen werden zu können.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Kinematische Evidenz
Im Einflussbereich des SMBHs, innerhalb rBH, wird also Geschwindigkeit der
sichtbaren Komponenten (Sterne) durch SMBH dominiert, d.h. für r < rBH:
• Erhöhung der Geschwindigkeitsdispersion mit σv
r--1/2;
• oder falls es Rotation gibt, sollte typische Orbitgeschw.
r-1/2 sein.
Probleme
• Winkelauflösung: um Anstieg der Geschwindigkeit messen zu können,
muss Auflösung besser sein als θBH
• Projektionseffekte: Man misst Geschwindigkeitsdispersion der
projizierten Verteilung, gewichtet mit Leuchtkraft.
• Kinematik von Sternen kompliziert: beobachtetes σv und vrot hängt ab von
Verteilung der Orbits und Geometrie der Verteilung.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
entfernt sich
nähert sich
Langspaltspektroskopie des Kerns von Galaxie M84; Rotation der
Sterne benötigt eine zentrale Masse von ~ 3 x 108 Msun.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
Quelle:
Kormendy & Djorgovsk (1989), ARA&A, 27, 235
Geschwindigkeitsdispersion
bessere Auflösung
Rotationsgeschwindigkeit
Anstieg der charakteristischen
Sterngeschwindigkeiten entlang der
großen Halbachse von NGC 3115
zum Zentrum hin.
Auflösungseffekte sorgen dafür, dass
Geschwindigkeit beim Zentrum
unterschätzt wird, insbesondere für
die (kohärente) Rotation der
Sterne ums Zentrum (unten).
Korrigiert man Auflösungseffekt,
wird σv ~ 600 km/s im Zentrum;
Sternhaufen würde
auseinanderfliegen ohne SMBH mit
MBH ~ 109 Msun.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Suche nach SMBHs
[OII]
Langspaltspektrum des Kerns von M87; Dopplerverschiebung der [OII]-Linie
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Zusammenhang SMBH-Bulge
Zur Zeit hat man in ca. 70 Galaxien die Masse der SMBHs vermessen.
Hierdurch kann man untersuchen, wie MBH mit den Eigenschaften der HostGalaxie zusammenhängt.
Quelle: Kormendy, J. (2000), Science, 289, 5484, 1484
Sterne
Gas
MaserScheiben
Korrelation zwischen SMBH-Masse und absoluter Bulge-Helligkeit (links) und
der Geschwindigkeitsdispersion im Bulge (rechts).
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Zusammenhang SMBH-Bulge
➠ MBH korreliert mit der absoluten Helligkeit der Bulge-Komponente, in der
sich das BH befindet.
Bulge-Komponente ist entweder der Bulge einer Spiralgalaxie (“kleine
Ellipse”) oder aber die gesamte elliptische Galaxie.
Beschreiben lässt sich die Korrelation im B-Band durch
!
"1.11
LB,bulge
8
MBH = 0.93 × 10 M!
1010 LB!
Die Korrelation ist zwar deutlich, aber Abweichungen der Punkte sind
deutlich größer als Streuung, die durch Fehlerbalken erwartet wird.
Es gibt also eine “echte” Streuung in dieser Relation.
Wegen M/L
L0.25 in Ellipsen, bedeutet diese Korrelation MBH
(Mbulge)0.9.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Zusammenhang SMBH-Bulge
Eine bessere Korrelation existiert zwischen MBH und der Geschwindigkeitsdispersion der Bulge-Komponente.
Man findet in Ellipsen und den Bulges von Spiralgalaxien:
!
"4
σe
8
MBH = 1.2 × 10 M!
200 km/s
Abweichungen von dieser Relation sind statistisch mit Fehlerbalken
verträglich (kleine intrinsische Streuung). Diese Korrelation ist also sehr gut!
Es scheint nur eine Korrelation von MBH mit dem Bulge zu geben, aber nicht
mit anderen Komponenten wie z.B. dem Dunkle Materie Halo der Galaxie
oder der Scheibe bei einer Spiralgalaxie.
Schwarze Löcher in Galaxienzentren
Zusammenhang SMBH-Bulge
Bislang unverstanden ist, wo diese Korrelation herkommt.
?
Verantwortlich kann nicht der direkte Einfluss des SMBHs sein, der, wie
gesehen, erst unterhalb ~1 pc wichtig wird; Bulge hat typisch ~1 kpc.
Vermutlich sagt diese Relation etwas über die gemeinsame Entstehungs/
Entwicklungsgeschichte von Bulge und zentraler SMBH-Masse aus.
Ein erfolgreiches Modell der Galaxienentwicklung muss diese Relation
reproduzieren können!