Quasar

Ein Schwarzes Loch, das so schnell frisst, dass es seine ganze Galaxie überstrahlt

Schritt für Schritt

Ein Stern, der keiner war

1963 fand Maarten Schmidt heraus, dass ein schwacher Lichtpunkt namens 3C 273 kein Stern war: Sein Licht war auf einer Reise von etwa 2 Milliarden Jahren durch die Ausdehnung des Universums gedehnt worden.

3C 273 war zuerst als Quelle von Radiowellen bekannt, die 273. im dritten Cambridge-Katalog. 1962 zog der Mond vor ihr vorbei, und der Moment, in dem ihre Radiowellen verschwanden, verriet, wo sie lag. Dort saß ein unscheinbarer Stern 13. Größe mit einem schwachen Streifen daneben.

Sein Spektrum ergab keinen Sinn, bis Schmidt erkannte, dass es das vertraute Muster des Wasserstoffs war, um fast 16 % ins Rote verschoben. Das konnte nur die Ausdehnung des Universums bewirken, also war sein Licht rund 2 Milliarden Jahre unterwegs gewesen. Etwas so Helles aus solcher Ferne musste ungeheuer mächtig sein. Man nannte solche Objekte quasistellare Radioquellen: Quasare.

Heller als hundert Milchstraßen

3C 273 leuchtet wie 4 Billionen Sonnen, etwa hundertmal so hell wie die ganze Milchstraße, und flackert binnen Tagen: All das Licht stammt aus einem Gebiet von nur wenigen Lichttagen.

Um 3C 273 liegt eine riesige elliptische Galaxie, doch auf gewöhnlichen Bildern verschwindet sie im gleißenden Licht ihres Zentrums. Erst mit einem Koronografen, der das zentrale Licht abdeckt wie der Mond die Sonne bei einer Finsternis, konnte Hubble sie 2024 deutlich sehen.

Stünde 3C 273 nur 30 Lichtjahre entfernt, würde er an unserem Himmel so hell leuchten wie die Sonne. Doch sein Licht ändert sich binnen Tagen, und nichts kann auf einmal heller werden, schneller als das Licht es durchquert: Die Quelle misst nur wenige Lichttage, etwa so viel wie unser Sonnensystem.

Die Galaxie ist nach einem einfachen Modell einer elliptischen Riesengalaxie gezeichnet; wie viel heller ihr Zentrum ist, folgt den Messungen.

Ein Schwarzes Loch frisst

Im Zentrum sitzt ein Schwarzes Loch von etwa 260 Millionen Sonnen. Hineinstrudelndes Gas wird in einer Scheibe gepresst und erhitzt, bis es heller leuchtet als alle Sterne der Galaxie zusammen.

Fast jede große Galaxie hat ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen, und die meisten sind ruhig. Ein Quasar ist eines, das gefüttert wird: Gas aus seiner Galaxie, oft aufgewühlt durch den Zusammenstoß mit einer anderen Galaxie, fällt schneller darauf zu, als es verschluckt werden kann.

Das Gas kann nicht geradewegs hineinfallen. Wie Wasser im Abfluss wirbelt es zu einer flachen Scheibe, reibt an sich selbst, verliert Energie und spiralt langsam nach innen, wobei es sich erhitzt. Schatten und gebogenes Licht sind so gezeichnet, wie die Allgemeine Relativitätstheorie sie vorgibt; die Schlieren der Scheibe sind gezeichnet.

Das grellste Licht

Nahe dem Schwarzen Loch leuchtet die Scheibe vor allem im Ultraviolett. Der Sturz hinein verwandelt etwa ein Zehntel der Masse des Gases in Licht: vierzehnmal mehr als die Kernfusion in den Sternen.

Materie, die auf ein Schwarzes Loch zufällt, wird schneller und heißer. Bis das Gas der Scheibe die innerste stabile Bahn erreicht, einige Male so groß wie der Horizont, ist etwa ein Zehntel seiner Masse zu Wärme und Licht geworden, bei einem schnell rotierenden Loch sogar mehr.

Die Sonne verwandelt beim Verschmelzen von Wasserstoff zu Helium nur 0,7 % der verbrannten Masse in Energie. Darum sind fressende Schwarze Löcher die stärksten dauerhaften Lichtquellen im Universum. Die uns zugedrehte Seite der Scheibe wirkt heller und blauer: Gas mit einem guten Teil der Lichtgeschwindigkeit strahlt sein Licht nach vorn.

Ultraviolett ist unsichtbar; die Scheibe ist in den Farben ihrer Hitze gezeichnet.

Wolken auf schnellen Bahnen

Weiter draußen kreisen Gaswolken mit etwa 3.000 km/s, rund 145 Lichttage vom Zentrum entfernt. 2018 sah ein Instrument namens GRAVITY sie kreisen, und damit wurde das Schwarze Loch gewogen.

Quasarlicht zeigt breite Linien: Die Farben jedes Elements sind verschmiert, weil das Gas, das sie aussendet, sich mit Tausenden Kilometern pro Sekunde bewegt, teils auf uns zu und teils von uns weg. Diese Wolken werden von der Scheibe in ihrem Inneren beleuchtet.

2018 maß GRAVITY, das die vier 8-Meter-Teleskope von ESOs Very Large Telescope zu einem vereint, woher das Licht der Wolken quer über 3C 273 kam, und sah sie kreisen: auf der einen Seite auf uns zu, auf der anderen von uns weg. Wie schnell sie in diesem Abstand kreisen, ergibt die Masse des Schwarzen Lochs, etwa 260 Millionen Sonnen (GRAVITY Collaboration 2018).

Die Farben der Wolken sind gezeichnet: Blau auf uns zu, Rot von uns weg. Ihr Kreisen ist beschleunigt; ein Umlauf dauert in Wirklichkeit Jahrhunderte.

Ein Jet quer durch die Galaxie

Ein Teil des Gases fällt nie hinein. Mit fast Lichtgeschwindigkeit entlang der Achse hinausgeschleudert, bildet es einen Jet von 200.000 Lichtjahren, doppelt so lang wie die Milchstraße breit ist.

Nahe dem Schwarzen Loch schleudern Magnetfelder, aufgewickelt von der rotierenden Scheibe und dem Loch, etwas Gas entlang der Achse fast mit Lichtgeschwindigkeit hinaus. Etwa jeder zehnte Quasar hat Jets, die stark genug sind, um hell in Radiowellen zu leuchten.

Der Jet von 3C 273 zeigt sich schon auf gewöhnlichen Hubble-Bildern, ein Streifen von etwa 200.000 Lichtjahren. Knoten darin scheinen schneller als Licht nach außen zu rasen: eine Täuschung, weil sie sich fast genau auf uns zu mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, sodass ihr Licht zusammengedrängt ankommt. Sein Zwilling, von uns weg gerichtet, ist zu schwach, um ihn zu sehen.

Der Jet ist blassblau gezeichnet, so wie er auf Hubbles Bildern aussieht.

Der hellste von allen

Der hellste bekannte Quasar, J0529-4351, leuchtet wie 500 Billionen Sonnen. Sein Schwarzes Loch von 17 Milliarden Sonnen verschlingt jeden Tag mehr als eine Sonne an Gas.

J0529-4351 ist so hell, dass Himmelsdurchmusterungen ihn jahrzehntelang als Stern führten. 2024 zeigte ein Team um Christian Wolf mit ESOs Very Large Telescope, dass es ein Quasar ist, dessen Licht vor mehr als 12 Milliarden Jahren aufbrach.

Sein Schwarzes Loch hat etwa 17 Milliarden Sonnenmassen und wächst weiter. Die Scheibe, die es füttert, ist etwa 7 Lichtjahre groß, die größte bekannte, und leuchtet wie mehr als 500 Billionen Sonnen (Wolf et al. 2024).

Die Scheibe ist in ihrer gemessenen Größe gezeichnet. Der Schatten des Schwarzen Lochs in ihrer Mitte ist in diesem Maßstab viel zu klein, um ihn zu sehen.

Das Zeitalter der Quasare

Quasare waren vor etwa 10 Milliarden Jahren am häufigsten, als die Galaxien jung und voller Gas waren. Die meisten haben seither keine Nahrung mehr, und helle sind heute selten.

Weil Licht Zeit braucht, um uns zu erreichen, sind die fernsten Quasare auch die ältesten. Zählt man sie in jeder Entfernung, zeigt sich, dass helle Quasare vor 10 bis 11 Milliarden Jahren etwa hundertmal häufiger waren als heute.

Galaxien waren damals reich an Gas und stießen oft zusammen, was Gas in ihre Zentren trieb. Als das Gas in Sterne verbaut oder fortgeblasen war, wurden die meisten Schwarzen Löcher ruhig. Viele heutige Riesengalaxien tragen die schlafenden Schwarzen Löcher einstiger Quasare in sich.

Die Kurve gibt ungefähr die Form wieder, die die Durchmusterungen fanden. Das Verblassen des Quasars hier ist gezeichnet.

Unser eigenes Schwarzes Loch

Das Schwarze Loch der Milchstraße, Sagittarius A*, wiegt 4,3 Millionen Sonnen und frisst kaum. Doch zwei riesige Blasen aus Gammastrahlen über und unter der Galaxis deuten darauf hin, dass es vor einigen Millionen Jahren aufflammte.

Sagittarius A* ist etwa sechzigmal leichter als das Schwarze Loch von 3C 273 und fast ausgehungert: Es leuchtet nur wie einige Hundert Sonnen, vor allem in Radiowellen und Röntgenstrahlen.

2010 fand das Weltraumteleskop Fermi zwei riesige Keulen aus Gammastrahlen, die jeweils etwa 25.000 Lichtjahre über und unter das Zentrum der Galaxis reichen. Größe und Form deuten auf einen Ausbruch aus dem Zentrum vor einigen Millionen Jahren, vielleicht als Sagittarius A* zuletzt eine große Mahlzeit hatte.

Die Blasen sind für das Auge unsichtbar; hier sind sie violett gezeichnet. Die Milchstraße ist nach einem einfachen Modell gezeichnet.

Leuchtfeuer, die sich nie bewegen

Quasare sind so weit entfernt, dass sie sich nie zu bewegen scheinen. Astronomen nutzen Tausende von ihnen als feste Punkte, an denen jede Position am Himmel gemessen wird.

Sterne wandern über die Jahre am Himmel, während sie sich durch die Galaxis bewegen. Quasare, Milliarden Lichtjahre entfernt, bleiben an ihrem Platz und sind darum die besten Landmarken überhaupt.

Das Internationale Himmelsreferenzsystem, mit dem Raumsonden gesteuert und die Erddrehung verfolgt werden, beruht auf den Positionen von 4.536 fernen Radioquellen, die meisten davon Quasare, gemessen von Radioteleskopen rund um die Welt (ICRF3, 2018). Die Raumsonde Gaia verankert ihre Karte von fast zwei Milliarden Sternen an rund 1,6 Millionen Quasaren.

Die Ringe markieren Quasare wie auf einer Karte; die Punkte darin sind gezeichnet.

Objekte in dieser Geschichte

TON 618