Schwarze Löcher heizen dem Universum ein

15.05.2012

HITS-Astrophysiker gewinnen neue Erkenntnisse über die Entstehung von Strukturen im Weltall

Die Weltraumforschung nahm bisher an, dass extrem massereiche schwarze Löcher nur ihre unmittelbare Umgebung beeinflussen können. Wissenschaftler am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) fanden jetzt gemeinsam mit kanadischen und US-Kollegen heraus, dass diffuses Gas im Universum die helle Gammastrahlung aus schwarzen Löchern absorbiert und sich dabei aufheizt. Diese überraschende Erkenntnis hat wichtige Konsequenzen für die Entstehung von Strukturen im Universum. Die Ergebnisse sind in den Fachpublikationen „Astrophysical Journal“ und „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” publiziert.

Im Zentrum jeder Galaxie befindet sich ein extrem massereiches schwarzes Loch. Es kann hochenergetische Gammastrahlung aussenden und wird dann Blazar genannt. Andere Strahlung wie zum Beispiel sichtbares Licht oder Radiowellen durchquert das Universum ohne Probleme. Dies trifft für energiereiche Gammastrahlung nicht zu. Diese Strahlung steht in Wechselwirkung mit dem optischen Licht, das die Galaxien aussenden, und wird in die Elementarteilchen Elektronen und Positronen umgewandelt. Die Elementarteilchen bewegen sich anfänglich fast mit Lichtgeschwindigkeit, werden aber vom diffusen Gas im Universum abgebremst. Da jeder Bremsprozess Wärme erzeugt, heizt sich das umgebende Gas dabei extrem auf. Es wird im Durchschnitt zehnmal heißer und in den kosmischen Regionen mit weniger Dichte als im Durchschnitt sogar mehr als hundert Mal heißer als bisher angenommen.

Simulated line forest of a quasar spectrum
Simulierter Linienwald eines Quasarspektrums. Das blaue Spektrum stellt ein Universum ohne Blazarheizen dar, das rote ein Universum mit Blazarheizen. Deutlich ist, dass der zusätzliche Heizprozess neutralen Wasserstoff ionisiert und damit weniger UV-Licht eines Quasars absorbiert wird (Grafik: HITS).

Eine Reise in die Jugendzeit des Weltalls

„Blazare schreiben die thermische Geschichte des Universums um“, so Dr. Christoph Pfrommer (HITS), einer der Autoren. Doch wie kann man eine solche Idee überprüfen? In den optischen Spektren von weit entfernten Quasaren sieht man eine Vielzahl von Linien, den sogenannten Linienwald. Der Wald entsteht bei Absorption von ultra-violettem Quasarlicht durch neutrale Wasserstoffatome in den frühen Entwicklungsphasen des Universums. Wenn das Gas nun heißer ist, dann sind die schwächsten Linien verbreitert. Dieser Effekt ergibt eine hervorragende Methode, die Temperatur im jungen Universum zu messen und damit quasi das Weltall in seiner Jugendzeit zu beobachten.
Die HITS-Astrophysiker überprüften diesen neu postulierten Heizprozess nun erstmals mit detaillierten Computersimulationen der kosmologischen Entstehung von Strukturen. Überraschenderweise zeigten sich die Linien gerade so verbreitert, dass sie mit der gemessenen Linienstatistik in den Quasarspektren genau übereinstimmen. „Damit können wir auf elegante Weise ein lange bestehendes Problem mit diesen Quasardaten lösen“, stellt Dr. Ewald Puchwein fest, der die Simulationen auf dem Großrechner am HITS durchführte.

Wie schwarze Löcher die Entstehung von Galaxien beeinflussen

Welche weiteren Konsequenzen ergeben sich aus dieser neuen Heizquelle? Der Linienwald in den Quasarspektren wird durch Dichteschwankungen im Universum hervorgerufen. Dabei stürzen die dichtesten Fluktuationen im Laufe der Zeit zusammen, um Galaxien und Galaxienhaufen zu bilden, wie wir sie um uns herum beobachten. Wenn das diffuse Gas zu heiß ist, kann es nicht kollabieren, und die Entstehung von Zwerggalaxien verzögert sich oder wird sogar völlig unterdrückt. Hier könnte der Schlüssel zur Lösung eines weiteren Problems in der Theorie der Galaxienbildung liegen, das seit langem besteht: Warum werden in der Nähe unserer Milchstraße und in unterdichten kosmischen Regionen wesentlich weniger Zwerggalaxien beobachtet, als es kosmologische Simulationen vorhersagen?
Prof. Volker Springel, Leiter der Forschergruppe am HITS, erklärt: „Besonders aufregend an dem neuen Prozess des Blazarheizens ist, dass dieser Effekt gleich mehrere Rätsel in der kosmologischen Strukturentstehung erklären kann.“ Die Gruppe plant nun, die Simulationsmodelle weiter zu verfeinern und so die physikalische Natur der Blazare und ihre Auswirkungen auf das heutige Universum noch besser zu verstehen.

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Die Serie wissenschaftlicher Artikel im Original:

The Lyman-? forest in a blazar-heated Universe. E. Puchwein, C. Pfrommer, V. Springel, A. E. Broderick, and P. Chang, 2012, MNRAS, in print, arXiv:1107.3837

The Cosmological Impact of Luminous TeV Blazars III: Implications for Galaxy Clusters and the Formation of Dwarf Galaxies. C. Pfrommer, P. Chang, and A. E. Broderick, 2012, ApJ, in print, arXiv:1106.5505

The Cosmological Impact of Luminous TeV Blazars II: Rewriting the Thermal History of the Intergalactic Medium. P. Chang, A. E. Broderick, and C. Pfrommer, 2012, ApJ, in print, arXiv:1106.5504

The Cosmological Impact of Luminous TeV Blazars I: Implications of Plasma Instabilities for the Intergalactic Magnetic Field and Extragalactic Gamma-Ray Background. A. E. Broderick, P. Chang, and C. Pfrommer, 2012, ApJ, in print, arXiv:1106.5494

Titelbild:

Ein extrem massereiches schwarzes Loch, das von einem Staubring (torus) umgeben ist. Der Einfall von Gas auf das schwarze Loch führt zu einem energiereichen Strahl aus Materie und Strahlung, der über kosmologische Distanzen transportiert werden kann. Wenn der Strahl in unsere Richtung zeigt, sprechen wir von einem „Blazar“ (copyright: ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani).

Über das HITS

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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