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Autor: Ralph-Mirko Richter / 23. November 2014, 14:00 Uhr

Quasare im kosmischen Netz

Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte haben gezeigt, dass die Rotationsachsen von Quasaren über keine zufällige Ausrichtung verfügen. Die Quasare orientieren sich vielmehr an der großflächigen Struktur des Universums, wobei deren Rotationsachsen trotz Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren parallel zueinander ausgerichtet sind.

Quelle: ESO
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ESO, M. Kornmesser

Bild vergrößernEine künstlerische Darstellung des Quasars ULAS J1120+0641. Entlang der Rotationsachse eines Quasars entweicht Material in das umgebende Weltall.
(Bild: ESO, M. Kornmesser)
Bei einem Quasar handelt es sich um den extrem intensiv leuchtenden Kernbereich einer entfernten aktiven Galaxie, welcher gewaltige Mengen an Energie abstrahlt. Für diese Leuchtkraft, so die gängige Theorie, ist ein im Zentrum dieser Galaxie gelegenes supermassereiches Schwarzes Loch verantwortlich. Diese Schwarzen Löcher sind von sich drehenden Scheiben aus extrem heißem Material umgeben.

Obwohl Schwarze Löcher in erster Linie dafür bekannt sind, die sie umgebende Materie anzuziehen, stoßen Quasare einen Teil des sie umgebenden Materials auch wieder ab. Dieses Material wird dabei in Form von langgezogenen 'Strahlen' - sogenannten Jets - mit hohen Geschwindigkeiten entlang der Rotationsachsen der Quasare von diesen weggeschleudert. Diese Materieflüsse nehmen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der jeweiligen Galaxien ein.

Quasare können heller leuchten als alle in ihrer jeweiligen Heimatgalaxie befindlichen Sterne zusammengenommen. Die von ihnen erzeugte große Helligkeit macht Quasare somit praktisch zu 'kosmischen Leuchtfeuern', deren nähere Untersuchung es den Astronomen und Astrophysikern ermöglicht, die Anfänge der Entstehungsgeschichte unseres Universums und die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien näher zu analysieren und zu interpretieren.

ESO, M. Kornmesser

Bild vergrößernDiese künstlerische Darstellung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen den Ausrichtungen der Rotationsachsen von Quasaren und den großräumigen Strukturen in denen diese sich befinden. Dieses Phänomen erstreckt sich über Milliarden von Lichtjahren hinweg und stellt die größten Zusammenhänge von kosmischen Objekten dar, welche bisher bekannt sind. Die großräumigen Strukturen sind in Blau dargestellt. Quasare sind weiß markiert, wobei die Rotationsachsen ihrer Schwarzen Löcher mit einem Strich angedeutet werden. Diese Grafik dient allerdings lediglich der Veranschaulichung und stellt nicht die wirkliche Verteilung von Galaxien und Quasaren im bekannten Universum dar.
(Bild: ESO, M. Kornmesser)
Aktuelle Untersuchungen

Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Damien Hutsemékers von der Universität Liège in Belgien hat mit dem FORS-Instrument des Very Large Telescope (VLT) am Pananal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den nordchilenischen Anden kürzlich 93 Quasare untersucht, welche sich in Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren zu unserem Sonnensystem befinden.

Bei ihren Beobachtungen stellten die Astronomen fest, dass die Rotationsachsen der zentralen supermassereichen Schwarzen Löcher in den Quasaren trotz der großen Entfernungen zwischen diesen Objekten parallel zueinander ausgerichtet sind.

"Die erste seltsame Sache, die wir bemerkten, war, dass die Rotationsachsen von einigen der Quasare zueinander ausgerichtet waren - und dies obwohl diese Quasare einige Milliarden Lichtjahre von einander getrennt sind", so Damien Hutsemékers.

Das Team ging dann noch einen Schritt weiter und untersuchte, ob die Rotationsachsen dieser Quasare nicht nur zueinander eine Verbindung besitzen, sondern ob sie auch in einer Verbindung zu der großräumigen Struktur des Universums stehen. Dabei stellten die Astronomen fest, dass die Rotationsachsen dieser Quasare tatsächlich dazu neigen, sich nach den riesigen Strukturen in dem kosmischen Netz auszurichten, in dem sie sich befinden.

Das kosmische Netzwerk

Wenn man die Verteilung der Galaxien im Universum in Größenskalen von mehreren Milliarden von Lichtjahren betrachtet, dann erkennt man, dass diese nicht gleichmäßig ist. Vielmehr bilden die einzelnen Galaxien größere Galaxienhaufen, welche bis zu mehrere tausend gravitativ aneinander gebundene Galaxien umfassen können. Diese Galaxienhaufen wiederum bilden sogenannte Superhaufen. Die Anordnung dieser Galaxien und Galaxienhaufen gleicht dabei einem gigantischen, großmaschigen Netz. Zwischen diesem 'kosmischen Netzwerk' befinden sich riesige Leerräume, in denen kaum Galaxien zu finden sind.

Illustris Collaboration

Bild vergrößernDiese besonders detaillierte Simulation der großräumigen Struktur des Universums wurde im Rahmen der Illustris-Simulation erstellt. Die Verteilung der Filamente ist in Blau dargestellt, die Verteilung von Gasmolekülen dagegen in Orange. Diese Simulation zeigt den gegenwärtigen Zustand des Universums und ist auf einen massereichen Galaxienhaufen zentriert. Der dargestellte Bereich hat eine Kantenlänge von 300 Millionen Lichtjahren.
(Bild: Illustris Collaboration)
Die Ergebnisse der VLT-Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Rotationsachsen der Quasare dazu neigen, sich parallel zu den großräumigen Strukturen auszurichten, in denen sie sich selbst befinden. Wenn sich diese Quasare zum Beispiel in einem langgezogenen Filament befinden, dann richten sich die Drehachsen ihrer zentralen Schwarzen Löcher entlang dieses Filaments aus. Die Astronomen schätzen, dass diese beobachtete Ausrichtung mit einer Wahrscheinlichkeit von weniger als einem Prozent auf einen Zufall beruht.

"Eine Korrelation zwischen der Ausrichtung von Quasaren und der Struktur, zu der sie gehören, ist eine wichtige Vorhersage numerischer Simulationen der Entwicklung unseres Universums. Unsere Beobachtungsdaten liefern den ersten experimentellen Beweis dieses Effekts auf Skalen, die viel größer sind als alles, was bisher für normale Galaxien beobachtet wurde", erläutert Dominique Sluse vom Argelander-Institut für Astronomie in Bonn und der Universität Liège die Bedeutung dieser Entdeckung.

Bei ihren Beobachtungen konnten die Astronomen weder die Rotationsachsen der Quasare noch die von diesen ausgehenden Jets direkt beobachten. Vielmehr ermittelten sie die Polarisation des Lichts der Quasare. Bei 19 der beobachteten Objekte konnte dabei ein maßgeblich polarisiertes Signal festgestellt werden. Die Ausrichtung dieser Polarisation konnte zusammen mit weiteren Informationen dazu verwendet werden, um den Neigungswinkel der Akkretionsscheiben zur Sichtlinie und somit die Ausrichtung der Rotationsachsen der Quasare zu bestimmen.

"Die Ausrichtung in den neuen Daten auf Skalen, die sogar größer sind als aktuelle Vorhersagen von Simulationen, könnten ein Hinweis darauf sein, dass es eine fehlende Zutat in unserem heutigen Modell des Universums gibt", erklärt Dominique Sluse abschließend.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 19. November 2014 von Damien Hutsemékers et al. unter dem Titel "Alignment of quasar polarizations with large-scale structures" in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics publiziert.

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