Rätselhafte Quasare - Jens Krampe - Olbers ...
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Rätselhafte Quasare
Jens KrampeWelle-Teilchen-Dualismus Röntgenstrahlen: hochenergetische Teilchen schlagen Elektronen aus dem Atom Radiowellen: Wellenartige elektromagnetische Felder versetzen Elektronen in Schwingung
1932: Suche nach störenden Rauschquellen bei telefonischen Fernverbindungen Zufällige Entdeckung kosmischer Radiowellen durch Karl G. Jansky
1935: Jansky fand die Quelle des Rauschens nahe
des Zentrums der Milchstraße.
Annahme: Aufgrund ihrer Nähe ist die Sonne die
stärkste Radioquelle.
Wie können Radioquellen aus großer Entfernung
stärker sein als die der nahen Sonne?
Starkes Signal Schwaches SignalGrote Reber entwarf und baute das erste Radioteleskop d=9m 1939: Reber erstellt die ersten Radiokarten Verzeichnet waren Radioquellen • im Zentrum der Milchstraße • im Sternbild Schwan (Cyg A: aktiver Galaxienkern) • im Sternbild Kassiopeia (Cas A: Supernovaüberrest) 1940: Abhandlung über sein Radioteleskop und der erzielten Ergebnisse Rebers 9-Meter-Teleskop im Green-Bank-Observatorium
Sichere Identifikation von Radioquelle durch örtliche Übereinstimmung mit sichtbaren Quellen. Cyril Hazard benutzte die Abdeckung von ekliptiknahen Radioquellen durch den Mond. 1962: 3 Beobachtungen der Abdeckung von 3C 273 3C 273 wurde als 13,0-mag-Stern identifiziert Das Spektrum des Sterns wurde nicht verstanden 3C 273 / Hubble
1963 erreichten Hazards Daten Maarten Schmidt. Schmidt erstellte weitere Spektren von 3C 273 Er erkannte die Linien des Wasserstoffs im Spektrum Rotverschiebung: 16% (z = 0,16) 3C 273 ist ca. 2 Mrd. Lichtjahre entfernt Breite Spektrallinien durch große Geschwindigkeiten
Schmidt fand die leuchtkräftigsten Objekte im Universum Handelt es sich wirklich um einen Stern? Wie kann ein so weit entferntes Objekt sichtbar sein? Wie groß ist die Energie die abgegeben wird? 3C 273 ist 300 mal heller als die Milchstraße und 4 Billionen mal heller als die Sonne Quasar: Quasistellare Radioquelle QSO: Quasistellares Objekt 3C 273 / Hubble
Kontroverse Rotverschiebung 1. Quasare besitzen extrem hohe Eigengeschwindigkeiten Wo sind dann die ins Blaue verschobenen Quasare? 2. Photonen verlassen ein extrem starkes Gravitationsfeld Kann ein Stern mit 13 mag ein derartiges Gravitationsfeld besitzen? 3. Schmidts Beobachtung entspricht der Realität Gestützt durch weitere Beobachtungen: Quasare haben ähnliche Rotverschiebungen wie Galaxien mit denen sie eine Gruppe bilden Ungeklärte Ausnahmen: Arp-Objekte
3C 273 wurde seit 1895 mehr als 2000 mal fotografiert Harlan Smith untersuchte archiviertes Fotomaterial Die Analyse ergab starke Helligkeitsschwankungen Darunter Schwankungen innerhalb eines Monats Smith folgerte: Die Leuchtkraft von 3C 273 kommt aus einem Raumgebiet das kleiner als 1 LM ist Hellste Galaxien 3C 273 d ≈ 100.000 LJ d < 1 LM L=1 L = 100
Stellare Schwarze Löcher: Theoretisch vorhergesagt (ART) Systematische Beschäftigung mit stellaren Schwarzen Löchern Entstehung durch Kernkollaps Supermassereiche Schwarze Löcher: Keine theoretische Vorhersage Zufällige Beobachtung durch Grote Reber (Cyg A) Keine Möglichkeit der Entstehung durch Kollaps Erst in den 1980 waren Astrophysiker von deren Existenz überzeugt
Aufbau von Quasaren Zentrum: Supermassereiches Schwarzes Loch BLR: Broad-Line-Region Gaswolken mit hoher Geschwindigkeit Breitbandige Emission NLR: Narrow-Line-Region Gaswolken mit geringer Dichte Schmalbandige Emission
Blandford-Payne-Mechanismus
Materiestrom durch magnetische Prozesse
Einfallende Materie bildet eine Akkretionsscheibe
Reibung führt zu sehr hohen Temperaturen, Plasma entsteht
Magnetfelder entstehen
Jet Scheibenwind: Teilchen werden entlang den Feldlinien
transportier
5000 Km/s
BLR
Scheibenwind
Kerr-
Loch Plasma Staubtorus
Akkretionsscheibe T > 1 Mio. °K
ErgosphäreBlandford-Znajek-Mechanismus
Gravitomagnetismus
Extraktion der Rotationsenergie durch
Elektromagnetismus
Raum in der Ergosphäre rotiert (Frame-Dragging)
Megnetosphäre entsteht
Jet
NLR Gravitomagnetischer Dynamo verstärkt die
500 Km/s Magnetfelder
„Verbotene“
Übergänge Leptonisches Paarplasma entsteht (e- + e+ / E = mc2)
Schwarzschild-Loch
η = 6%
Kerr-
Loch Plasma
Akkretionsscheibe T > 1 Mio. °K Kerr-Loch:
Ergosphäre η = 42%Kollimation durch aufgewickelte
Extragalaktischer Jet Magnetfelder
Magnetische Feldlinien
Schwarzes Loch Synchrotron-Strahlung
Akkretionsscheibe
-
FeldlinienTeilchenbeschleunigung im Jet
Teilchengeschwindigkeit fast c
Lebensdauer der strahlenden Teilchen: 100 Jahre
Lebensdauer:
Die relativistische Teilchen besitzen nur noch
100.000 LJ
die hälfte der Energie des Anfangswertes
Energieverlust durch Synchrotron-Strahlung und
inversen Compton-Effekt
Teilchen müssen innerhalb des Jets beschleunigt werden
Blau: Röntgenlicht, Grün: Sichtbares Licht, Rot: Radiowellen,
Gelb: starke radio- und optische Strahlung3C 273
Blobs
Knots
Sichtbares Licht Röntgen Radiowellen
(HST) (CHANDRA) (MERLIN)Cygnus A
Jets treffen auf heißes Gas.
Teilchen gyrieren um
Magnetfelder
Synchrotron-Strahlung entsteht
Radioblasen
Hotspots durch Stoßfront
(Bremsstrahlung)
Centaurus A
Bildüberlagerung
Orange: Submillimeter (APEX)
Blau: Röntgen (Chandra)
und sichtbarem Licht
Krümmung der Jets durch
vorbeiziehende intergalaktische
MaterieHeutige Beobachtungstechnik
Effelsberg / RadioAstron Verlängerung der Baseline durch Satelliten RadioAstron: 10 m Antenne Maximale Entfernung 350.000 Km Radioteleskop Effelsberg: 100 m Antenne Kombiniert ergibt sich eine Größe von 360.000 Km Auflösungsvermögen erreicht die Größe des Ereignishorizontes stellarer Schwarzer Löcher (3 – 100 M )
Photon
Teilchen-
schauer 10 Km Cherenkov-Teleskope
ung Seit 2012 High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.)
trahl
Bestehend aus 5 Teleskopen
ov-S
Im Aufbau Cherenkov Telescope Array (CTA)
renk
ca. 100 Teleskope
Che
Abdeckung des gesamten Himmels durch 2 Standorte
1000 Experten aus 25 Ländern
DESY stellt die größte Gruppe und ist für
Design, Bau der Teleskope mit 12 m Spiegel-
durchmesser und Teleskopsteuerung zuständig
H.E.S.S.-Array / KrabbennebelOffene Fragen 2014: Mysteriöse Ausrichtung von Quasaren
Die Strukturen entstehen durch zufällige Fluktuationen aus der Frühzeit des Kosmos Nachweis erfolgte durch Quasarlicht das Wasserstoff anregt 2014: Die Rotationsachsen erscheinen gleichgerichtet 2016: Zufällige Entdeckung des Phänomens auch bei Radioquellen Gleichrichtung muss seinen Ursprung im frühen Universum haben Kosmische Magnetfelder? Exotische Teilchen?
2015
Schnelles Quasar-Wachstum Im frühen Universum
SDSS J0100+2802
Entfernung 12,8 LJ (Alter Universum 875 Mio. Jahre)
Leuchtkraft 420 Bio. Sonnenleuchtkräfte
≈ 3 Mrd.
7 mal heller als der hellste ferne Quasar
MSL = 12 Mrd. Sonnenmassen
Wie konnte dieser Quasar so schnell wachsen?
Wuchsen frühe Quasare schneller als
ihre Host-Galaxien?
≈ 800 Mio.2016 3C 273 heißer als die Theorie erlaubt Gamma- und Röntgenstrahlung kühlt Obergrenze der Gesamthelligkeit durch negative Rückkopplung: Stabile Temperaturobergrenze erwartet Te- > 100 x 109 (100 Mrd.) °K Gemessenen Effektivtemperatur im Zentrum von 3C 273 (RadiaAstron) T > 10 x 1012 (10 Bio.) °K
Quasar-Halos Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE / VLT) Mehr Halos als angenommen gefunden Ausdehnung bis zu 300.000 LJ Voraussage Gastemperatur: 1 Mio. °K Gemessen: 10.000 °K
Quasare: Werkzeuge in der Forschung Überprüfung der ART Apsidendrehung Gravitationswellen OJ 287 Entfernung: 3,5 Mrd. LJ
Hubbel-Konstante
Gravitationslinsen-Effekt
Strahlungsintensität der Quasare schwankt
Unterschiedliche Lichtwegen => nicht sphärische
Verzerrungen
Zeitunterschied der Schwankungen kann
gemessen werden
Übereinstimmung mit Daten für das lokale
Universum (Cepheiden, SN)
Planck: 67.8 Km/s*Mpc
Erhebliche Abweichungen zu den Planck-Daten
(Mikrowellenhintergrund)
H0LiCO: 71.9 Km/s*MpcVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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