Quasare als kosmische Standardkerzen

Der Quasar 3C 273 mit seinem Jet, aufgenommen vom Weltraumteleskop Chandra. (Credits: Credit: NASA / CXC / SAO / H.Marshall et al.)
Der Quasar 3C 273 mit seinem Jet, aufgenommen vom Weltraumteleskop Chandra. (Credits: Credit: NASA / CXC / SAO / H.Marshall et al.)

Im Jahr 1929 veröffentlichte Edwin Hubble Beobachtungen, laut denen die Entfernungen und Geschwindigkeiten der Galaxien miteinander korrelieren, wobei er die Entfernungen mittels ihrer Sterne des Cepheiden-Typs bestimmte. Die Harvard-Astronomin Henrietta Swan Leavitt hatte entdeckt, dass sich ein Stern des Cepheiden-Typs regelmäßig mit einer Periode verändert, die mit seiner inneren Leuchtkraft zusammenhängt. Sie kalibrierte den Effekt und als Hubble diese berechneten Werte mit seinen beobachteten Helligkeiten verglich, konnte er die Entfernungen bestimmen.

Aber sogar heute noch können nur Cepheiden-Sterne in relativ nahen Galaxien auf diese Weise untersucht werden. Um die Distanzen bis in frühere Zeiten der kosmischen Geschichte auszuweiten, haben Astronomen Supernovae (den explosiven Tod massereicher Sterne) verwendet, die man aus viel größeren Distanzen sehen kann. Durch Vergleiche der beobachteten Helligkeit einer Supernova mit ihrer inneren Helligkeit sind Astronomen basierend auf der Klassifikation imstande, ihre Entfernung abzuleiten. Der Vergleich dieser Werte mit der Geschwindigkeit der Galaxie (ihrer spektroskopisch gemessenen Rotverschiebung), ergibt die Hubble-Beziehung, die die Geschwindigkeit der Galaxie zu ihrer Distanz in Relation setzt.

Die zuverlässigsten Supernovae für diesen Zweck sind aufgrund ihrer kosmischen Gleichheit sogenannte Typ-Ia-Supernovae, die als Standardkerzen bezeichnet werden und alle die gleiche innere Helligkeit aufweisen. Aber sogar Supernovae können auf diese Weise schwerer zu untersuchen sein, wenn sie weiter entfernt liegen. Die bislang fernste Typ-Ia-Supernova mit einer zuverlässigen Geschwindigkeitsmessung datiert aus einer Epoche rund drei Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Die Astronomen Susanna Bisogni, Francesca Civano, Martin Elvis und Pepi Fabbiano vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und ihre Kollegen schlagen Quasare als neue Standardkerzen vor. Der fernste bekannte Quasar wurde in einer Epoche nur etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall entdeckt, was den Bereich der Rotverschiebungen von Standardkerzen dramatisch erweitert. Ein weiterer Vorteil von Quasaren liegt darin, dass in den letzten paar Jahren Hunderttausende von ihnen entdeckt wurden. Nicht zuletzt unterscheiden sich die physikalischen Prozesse in Quasaren von jenen in Supernovae, was völlig unabhängige Messungen von kosmologischen Parametern liefert.

Das von den Astronomen vorgeschlagene neue Schema stützt sich auf ihre Entdeckung, dass die Röntgen- und Ultraviolettemissionen von Quasaren eng miteinander korrelieren. Im Zentrum eines Quasars befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch, das von einer sehr heißen Akkretionsscheibe umgeben ist, welche im Ultraviolettbereich leuchtet. Die Scheibe wiederum ist von heißem Gas umgeben, wo sich die Elektronen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn ultraviolette Photonen auf diese Elektronen treffen, wird ihre Energie in den Röntgenbereich gesteigert.

Das Team baute auf seinen früheren Ergebnissen auf und analysierte Röntgenmessungen von 2.332 fernen Quasaren im neuen Chandra Source Catalog und verglich sie mit Ultraviolettmessungen des Sloan Digital Sky Survey. Die Forscher stellten fest, dass die enge Korrelation, die zwischen der Ultraviolett- und der Röntgenhelligkeit lokaler Quasare bereits bekannt war, sich auch in fernen Quasaren fortsetzt. In diesen Epochen, die etwa 15 Prozent des Alters des Universums entsprechen, wird die Korrelation sogar noch enger.

Die Schlussfolgerung daraus ist, dass diese beiden Werte die Entfernung zu jedem Quasar bestimmen können und dass diese Distanzen dann für die Überprüfung kosmologischer Modelle verwendet werden können. Wenn die Ergebnisse bestätigt werden, werden sie Astronomen ein hilfreiches neues Werkzeug an die Hand geben, um die Eigenschaften des sich entwickelnden Universums zu messen.

Abhandlung: “The Chandra view of the relation between X-ray and UV emission in quasars” von S. Bisogni, E. Lusso, F. Civano, E. Nardini, G. Risaliti, M. Elvis und G. Fabbiano, Astronomy & Astrophysics, 2021.

Quelle

(THK)

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