Staubfilter enthüllt Galaxienherz

Aktive Galaxien senden extrem starke Strahlung aus. Dass ein Schwarzes Loch und die es umgebenden Materiescheibe die Strahlenquelle ist, konnte Astronomen bisher wegen der dichten, verhüllenden Staubwolken nur theoretisch postulieren. Jetzt jedoch hat ein internationales Forscherteam eine solche Akkretionscheibe erstmals direkt beobachtet. Wie sie in „Nature“ berichten, blendeten sie dafür die störende Streustrahlung der Staubwolken mit einem Polarisationsfilter aus.

Quasare sind die stark leuchtenden Kernbereiche von weit entfernten Galaxien. Die massereichen Schwarzen Löcher in ihrem Zentrum strahlen mit einer Energie, die diejenige der Sonne um ein Billionenfaches übertrifft. Die mächtigen Kraftquellen werden dabei angetrieben durch interstellares Gas, das in Form sogenannter Akkretionsscheiben aus der Umgebung direkt in das Schwarze Loch eingesogen wird. Soweit die Theorie. Direkte Beobachtungen dieser Prozesse gab es jedoch bisher nicht, denn das Galaxienzentrum wird von dichten Staubwolken verhüllt. Die starke Streustrahlung dieser Wolken verfälscht das gesuchte Spektrum der Akkretionsscheibe und machte es damit unmöglich, wenigstens die Existenz der Scheibe experimentell zu bestätigen.

Ein internationales Forscherteam um Makoto Kishimoto vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat dafür jedoch nun eine eigentlich verblüffend einfache Lösung gefunden: Sie nutzten Polarisationsfilter. Diese lassen je nach Einstellung jeweils nur Licht einer bestimmen Wellenausrichtung durch. In der Fotografie lassen sich damit beispielsweise Streulicht und störende Spiegelungen ausblenden. Mit genau dieser Methode gelang es nun auch den Astrophysikern, ein solches Galaxienherz unverfälscht zu beobachten.

Rätsel um verfälschtes Spektrum

Das gemessene Lichtspektrum der Strahlung aus dem Kern stimmte auch nicht mit den vorausberechneten Werten überein. „Die Astronomen wurden vor allem dadurch irritiert, dass die am besten untersuchten Modelle für die Strahlung der Akkretionsscheiben nicht zu den Beobachtungen passten. Dabei fiel auf, dass die Scheiben nicht annähernd so blau waren, wie sie theoretisch hätten sein sollen“, erklärt Kishimoto. Um diesen Gegensatz zu klären, hat Kishimoto zusammen mit weiteren Astronomen aus aller Welt den Anteil der Störstrahlung aus den Staubwolken unterdrückt. Sie verwendeten dafür eine besondere Eigenschaft des Lichts: die Polarisation.

Polfilter trennt Strahlungsarten

Denn die Strahlung aus der Akkretionsscheibe wird in der direkten Umgebung der Scheibe gestreut und erscheint daher polarisiert, das heißt, die Lichtwellen schwingen nur in einer Ebene. Die Strahlung aus den Staubwolken weiter weg ist hingegen unpolarisiert, die Lichtwellen schwingen kreuz und quer. Mit dem Polarisationsfilter lassen sich beide Strahlungstypen voneinander trennen und die Astronomen können die wahre spektrale Verteilung der Kernquelle bestimmen.

So funktionieren die Polarisationsmessungen: Das rote Objekt in der linken oberen Hälfte zeigt einen der beobachteten Quasare, den leuchtenden Kern einer aktiven Galaxie. Staubwolken in dessen Umgebung verunreinigen die Strahlung der Akkretionsscheibe erheblich (oben rechts). Ein Polarisationsfilter (unten) unterdrückt den unpolarisierten Anteil der Strahlung der Staubwolken und der Anteil der Akkretionsscheibe bleibt übrig. So können die Forscher die tatsächliche spektralen Verteilung - die Farbe - der Akkretionsscheibe ableiten. © M. Kishimoto, mit Wolkenbild von M. Schartmann

Für diese Beobachtungen kamen Polarisationsfilter an einigen der größten Teleskope weltweit zum Einsatz – an einem der VLT-Teleskope der Europäischen Südsternwarte auf dem Paranal in Chile und am United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) auf dem Mauna Kea in Hawaii. Dadurch wurde es möglich, den Beitrag der heißen Staubwolken von außerhalb der Akkretionsscheibe zu unterdrücken und zu zeigen, dass die spektrale Verteilung der Strahlung aus der Akkretionsscheibe selbst tatsächlich so blau ist wie von der Theorie gefordert.

Erster Einblick in Innenleben eines Quasars

Robert Antonucci von der University of California at Santa Barbara ist ebenfalls an dem Forschungsprojekt beteiligt: „Unser Verständnis der physikalischen Prozesse in der Akkretionsscheibe ist noch sehr unvollkommen“, sagt er. „Aber zumindest haben wir jetzt eine zuverlässige Idee des Gesamtbilds.“

Die Beobachtungsdaten weisen darauf hin, dass die gemessene Strahlung aus den äußeren Bereichen der Akkretionsscheibe stammt. Wichtige Fragen bleiben offen, etwa: Wie und wo endet das Gebiet der Akkretionsscheibe und wie wird Material dorthin nachgeliefert? „Unsere neue Methode sollte es bereits in naher Zukunft erstmals ermöglichen, darauf Antworten zu finden „, sagt Kishimoto.

(MPG, 24.07.2008 – NPO)