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Galaxienweite Echos aus der Vergangenheit

05.12.2012 - (idw) Max-Planck-Institut für Astronomie

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (Garching) - Durch Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO, dem Gemini South-Teleskop, und dem Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) ist es gelungen, eine neue Galaxienklasse zu identifizieren. Ihr ungewöhnliches Aussehen hat diesen Galaxien den Spitznamen Grüne-Bohnen-Galaxien eingebracht. Ihre Leuchtkraft wird durch intensive Strahlung aus der Umgebung gigantischer Schwarzer Löcher in ihrem Zentrum verursacht. Diese Galaxien gehören damit zu den seltensten Objekten im Universum. Viele Galaxien haben in ihrem Zentrum ein riesiges Schwarzes Loch, und häufig regen energiereiche Prozesse das Gas in dessen unmittelbarer Umgebung zum Leuchten an. Bei den Grüne-Bohnen-Galaxien leuchtet jedoch die gesamte Galaxie, nicht nur der Zentralbereich. Die neuen Beobachtungen haben gezeigt, dass es sich dabei um die größten und am hellsten leuchtenden Galaxienregionen handelt, die jemals gefunden wurden. Sie werden vermutlich von Schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien angeregt, die einst sehr aktiv waren und nun zur Ruhe kommen.

Der Astronom Mischa Schirmer vom Gemini Observatory untersuchte eine Vielzahl langbelichteter Aufnahmen des Universums auf der Suche nach Galaxienhaufen. Ein Objekt auf einem Bild vom Canada-France-Hawaii Telescope erregte dabei sofort seine Aufmerksamkeit: Es sah aus wie eine Galaxie, aber es leuchtete hell in grün. Es ähnelte keiner der Galaxien, die er je zuvor gesehen hatte ein komplett unerwarteter Fund. Er bewarb sich sofort um Beobachtungszeit am Very Large Telescope der ESO, um herauszufinden, woher das ungewöhnliche grüne Leuchten stammte [1].

Die ESO gewährte mir kurzfristig Sonder-Beobachtungszeit, und so wurde dieses bizarre Objekt bereits wenige Tage, nachdem ich den Antrag eingereicht hatte, mit dem VLT beobachtet, berichtet Schirmer. Zehn Minuten, nachdem die Daten in Chile aufgenommen worden waren, hatte ich sie dann auch schon auf meinem Computer in Deutschland. Mir wurde sofort klar, dass ich etwas völlig neuartiges vor mir hatte, und sofort rückte dieses Objekt ins Zentrum meines wissenschaftlichen Interesses.

Das neue Objekt trägt die Bezeichnung J224024.1092748, kurz J2240. Es liegt im Sternbild Aquarius (der Wassermann), und sein Licht hat etwa 3,7 Milliarden Jahre gebraucht um die Erde zu erreichen.

Nach der Entdeckung überprüfte Schirmers Team eine Datenbank mit fast einer Milliarde Galaxien [2] und fand dabei 16 weitere Objekte mit ähnlichen Eigenschaften, die dann durch Nachbeobachtungen mit dem Gemini South-Teleskop tatsächlich als Grüne-Bohnen-Galaxien bestätigt wurden. Diese Objekte sind so selten, dass es durchschnittlich nur eines von ihnen in jedem gedachten Würfel mit einer Kantenlänge von 1,3 Milliarden Lichtjahren gibt. Der Spitzname mit den Grünen Bohnen stammt von ihrer Farbe und der Tatsache her, dass sie oberflächlich betrachtet den sogenannten Grüne-Erbsen-Galaxien ähneln, die jedoch deutlich kleiner sind [3].

In vielen Galaxien gibt die Materie in der Umgebung des supermassereichen zentralen Schwarzen Lochs intensive Strahlung ab und ionisiert so das Material in seiner Umgebung. Die so zum Leuchten angeregten Regionen sind typischerweise klein im Vergleich zum Rest der Galaxie und nehmen selten mehr als 10% ihres Durchmessers ein. Bei J2240 und den anderen ähnlichen Objekten, die das Team gefunden hat, zeigten die Beobachtungen jedoch, dass der leuchtende Bereich riesig ist und sich quasi über die gesamte Galaxie erstreckt. Im Fall von J2240 handelt es sich um eine der größten und hellsten derartigen Regionen, die je gefunden wurden. Das grüne Leuchten, das ursprünglich Schirmers Aufmerksamkeit erregt hatte, stammt von ionisiertem Sauerstoff.

Diese leuchtenden Regionen sind sehr gut geeignet, um die Physik von Galaxien zu untersuchen in gewisser Weise ist es so, als könne man ein Fieberthermometer in ein unfassbar weit entferntes Objekt stecken, erläutert Schirmer. Normalerweise sind derartige Regionen weder sehr groß noch sehr hell, so dass wir sie nur bei relativ nahen Galaxien gut beobachten können. Bei den nun neu entdeckten Galaxien sind sie aber so ausgedehnt und leuchtkräftig, dass wir sie trotz ihrer großen Entfernung detailliert untersuchen können.

Weitere Auswertungen der Beobachtungsdaten enthüllten allerdings noch ein Rätsel: Das Schwarze Loch im Zentrum von J2240 scheint viel weniger aktiv zu sein, als man an Hand der Größe und Helligkeit der leuchtenden Region erwarten würde. Das Astronomenteam nimmt daher an, dass es sich bei dem Leuchten um das Echo einer vergangenen aktiveren Phase des Schwarzen Lochs handelt. In diesem Fall sollten die leuchtenden Regionen nach und nach schwächer werden, während die Strahlung durch sie hindurch läuft und schließlich die Galaxie verlässt [4].

Das Aussehen der Grüne-Bohnen-Galaxien ist also ein Symptom eines gerade verlöschenden aktiven Galaxienkerns und markiert damit eine sehr kurze Phase im Leben einer Galaxie. Im frühen Universum waren Galaxien allgemein viel aktiver als heute. Massereiche Schwarze Löcher bildeten sich in ihren Zentren und verschluckten Sterne und Gas aus der unmittelbaren Umgebung. Die dadurch erzeugte Leuchtkraft war oft mehr als hundertmal so groß wie die Helligkeit aller Sterne in der Galaxie zusammen. Lichtechos, wie man sie nun bei J2240 entdeckt hat, ermöglichen es den Astronomen, den Abschaltprozess der aktiven Galaxienzentren zu untersuchen. So wird es vielleicht möglich sein herauszufinden wie, wann und warum die Aktivität der Galaxienkerne aufhört und warum wir bei heutigen Galaxien so viel weniger Aktivität sehen. Genau in dieser Richtung plant das Team nun mit Röntgenbeobachtungen und Spektroskopie weiter zu forschen.

Für einen Astronomen wird mit der Entdeckung einer völlig neuen Objektklasse ein Traum wahr; so etwas passiert vielleicht einmal im Leben, schließt Schirmer. Das ist unglaublich inspirierend!

Endnoten

[1] Zur Untersuchung des Objektes verwendeten die Astronomen den leistungsfähigen Spektrografen X-Shooter am VLT. Durch Zerlegung des Lichts in seine Farbbestandteile konnten sie die Zusammensetzung des leuchtenden Materials und den Grund für seine große Helligkeit ermitteln.

[2] Für die Suche wurde die riesige Online-Datenbank des Sloan Digital Sky Surveys (SDSS) verwendet.

[3] Grüne-Erbsen-Galaxien sind kleine, aber leuchtkräftige Galaxien, in denen starke Sternentstehung stattfindet. Sie wurden im Jahr 2007 von Teilnehmern des astronomischen Citizen Science-Projektes Galaxy Zoo entdeckt. Anders als die Grünen Bohnen sind sie sehr klein: Unsere Milchstraße enthält so viel Masse wie etwa 200 durchschnittliche Grüne-Erbsen-Galaxien zusammen. Die Ähnlichkeiten zwischen ihnen und der nun neu entdeckten Galaxienklasse beschränken sich lediglich auf das Aussehen. Eine nähere Verwandtschaft besteht in den meisten Fällen dagegen nicht.

[4] Bei vielen aktiven Galaxien wird der Blick auf das zentrale Schwarze Loch durch große Mengen Staub versperrt. Eine direkte Beobachtung seiner Aktivität ist daher schwierig. Um zu überprüfen, ob sich die Grüne-Bohnen-Galaxien wirklich von anderen Galaxien mit verdeckten Zentralbereichen unterscheiden, verwendeten die Astronomen Daten aus dem infraroten Spektralbereich, also Licht mit viel größerer Wellenlänge, das sogar dicke Staubwolken durchdringen kann. Die Zentralbereiche von J2240 und den anderen Grüne-Bohnen-Galaxien stellten sich dabei als viel weniger leuchtkräftig heraus, als die Wissenschaftler erwartet hatten. Das bedeutet, dass die Aktivität des Galaxienkerns wirklich viel geringer ist, als man anhand der Helligkeit der großen leuchtenden Regionen vermuten würde.


Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen demnächst unter dem Titel A sample of Seyfert-2 galaxies with ultra-luminous galaxy-wide NLRs Quasar light echos? in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal.

Die be
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