Astro-Lexikon B 4

B
A-Z

Dieses Theorem ist relevant für die Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Es besagt, dass jede sphärisch symmetrische Raumzeit notwendigerweise statisch ist, wenn sie

• Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der ART im Vakuum,
• Lösung der Einstein-Maxwell-Feldgleichungen (siehe dazu Maxwell-Tensor)

ist. Anwendung findet diese Theorem unmittelbar auf die Schwarzschild-Lösung und die Reissner-Nordstrøm-Lösung. Eine wesentliche Folge des Theorems ist, dass eine pulsierende, kugelsymmetrische Konfiguration keine Gravitationswellen aussenden kann!
Ein weiteres, wesentliches Theorem der ART ist das Robinson-Theorem.

Das Blandford-Payne-Szenario, benannt nach den Pionieren, die den Effekt 1982 vorschlugen (Blandford & Payne, MNRAS 199, 883, 1982), beschreibt, wie es durch magnetische Prozesse in einem Akkretionsfluss zu einem ausfließenden Materiestrom kommen kann.

Magnetfelder von akkretierten Plasmen

Ein Akkretionsfluss in der Nähe eines kompakten Objekts ist heiß, typischerweise einige Millionen Grad und mehr. Dementsprechend liegt das einfallende Material nicht mehr in molekularer oder atomarer Form vor, sondern wird ionisiert. Dieses Akkretionsplasma besteht vor allem aus Ionen (verschiedener Elemente) und aus Elektronen. Eine Folge ist, dass die bewegten elektrischen Ladungen Magnetfelder induzieren: der Akkretionsfluss wird von Magnetfeldlinien durchsetzt. Typisch ist die Konfiguration einer rotierenden magnetisierten Akkretionsscheibe. Da die Magnetfeldlinien an das Plasma gekoppelt sind ('eingefrorener Fluss'), rotiert mit der Scheibe ein Vielzahl von Magnetfeldlinien, das man insgesamt als Magnetosphäre bezeichnet.

Produktion eines Scheibenwinds

Das Magnetfeld vermag Plasmateilchen aus der Scheibenoberfläche herauszuziehen - genau das passiert auch auf der Sonnenoberfläche und produziert einen Strom von Teilchen: den Sonnenwind. Analog verhält es sich bei der Akkretionsscheibe, nur dass Astrophysiker hier vom Scheibenwind sprechen. Typische Ausfließgeschwindigkeiten sind vergleichbar mit der Keplergeschwindigkeit am betreffenden Scheibenradius. Diese wiederum fällt mit der inversen Quadratwurzel im Abstand ab: die Windgeschwindigkeiten sind größer bei kleinen Radien und können sogar vergleichbar mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit werden, falls die Scheibe sehr nah um ein Schwarzes Loch rotiert.

Energiespender: rotierende und magnetisierte Scheibe

Der Wind wird von der rotierenden Scheibe und ihrem magnetischen Druck angetrieben. Die Astrophysiker sprechen hier von zentrifugal getriebenen Ausflüssen. Dem gegenüber steht der Blandford-Znajek-Mechanismus, der die Rotationsenergie eines Schwarzen Loches anzapft. Das Blandford-Payne-Szenario erfordert (im Unterschied zum Blandford-Znajek-Mechanismus) nicht die Existenz eines Schwarzen Loches, sondern nur ein rotierenden, magnetisiertes Plasma.

Was treibt den Jet?

Blandford-Payne-Szenario und Blandford-Znajek-Mechanismus sind zwei Prozesse, die zur Erzeugung von Jets in Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) und Röntgendoppelsternen mit Schwarzem Loch (BHXBs) diskutiert werden. Der ist Jet das Resultat, wenn der Wind beispielsweise durch magnetische Lorentz-Kräfte oder durch den Strahlungsdruck heißer Umgebungsquellen gebündelt wird (Kollimation).
Möglicherweise können Radioastronomen bald durch hochaufgelöste VLBI-Beobachtungen klären, welcher Mechanismus in der jeweiligen Jetquelle operiert. Denn mm-VLBI erreicht räumliche Auflösungen von wenigen bis einigen zehn Schwarzschildradien in AGN wie z.B. M87 (z.B. Krichbaum et al., astro-ph/0611288). Die bebachteten Strukturen an der Jetbasis würden den Mechanismus verraten, weil der Blandford-Znajek-Mechanismus 'einen schmale Jetfuß macht', wohingegen das Blandford-Payne-Szenario eine breite Jetbasis haben würde (etwa einige hundert Gravitationsradien).

Der Blandford-Znajek-Mechanismus (BZM) wurde benannt nach den Astrophysikern R.D. Blandford und R.L. Znajek, die diesen Prozess 1977 vorschlugen. Der BZM ermöglicht die Extraktion von Rotationsenergie eines rotierenden Schwarzen Loches (beschrieben durch die Kerr-Lösung) auf elektromagnetischem Wege.

Gravitomagnetismus

Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn Magnetfelder des Plasmas im Akkretionsflusses in die Ergosphäre des rotierenden Loches geraten. Hier geschieht der Frame-Dragging-Effekt, der besagt, dass alles mit dem Loch rotieren muss. Denn ein rotierendes ist rotierender Raum! Das kann in der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr elegant durch ein so genanntes gravitomagnetisches Feld beschrieben werden - ein Formalismus, der auf den Relativitätstheoretiker John A. Wheeler zurückgeht, der auch Richard Feynman und Kip Thorne ausbildete. Zu diesem Feld gehört auch eine gravitomagnetische Kraft, die alles mit sich reißt, auch die Magnetfelder. Die Morphologie der Magnetfelder wird durch diese Korotation schlauchförmig (dominant toroidal), so dass eine achsensymmetrische, torusförmige Magnetosphäre ausgebildet wird.

Paarbildung in der Ergosphäre

Die damit einhergehende Verstärkung des Magnetfeldes nennt man den gravitomagnetischen Dynamo. Wird die erreichte Feldstärke groß genug, kann in einer Kaskade ein leptonisches Paarplasma aus Elektronen und Positronen erzeugt werden. Die Teilchen erhalten einen Kick durch die gravitomagnetische Kraft und können die Ergosphäre verlassen. Sie folgen dabei je nach elektrischer Ladung den lokalen Magnetfeldlinien. Da in der Ergosphäre Zustände negativer Energie möglich sind - so erscheinen sie einem Beobachter im Unendlichen - kann dem Schwarzen Loch auf diese Weise elektromagnetisch Rotationsenergie entzogen werden. Der BZM senkt also den Kerr-Parameter a herab, aber die Akkretion kann ihn wieder erhöhen, weil sie dem Loch durch Materieeinfall Drehimpuls wieder hinzufügt.
Der Blandford-Znajek-Mechanismus ist von besonderer Relevanz für die Magnetohydrodynamik in Aktiven Galaktischen Kernen (AGN), die Akkretion auf rotierende supermassereiche Schwarze Löcher und insbesondere für die Erzeugung leptonischer, extragalaktischer Jets. Mithilfe des Membran-Paradigmas kann man eine andere Perspektive auf elektromagnetische Wechselwirkungen mit dem Ereignishorizont Schwarzer Löcher erhalten.

Alternative von Roger Penrose

Neben diesem Mechanismus, der auf die Beteiligung von elektrischen und magnetischen Feldern angewiesen ist, gibt es einen weiteren klassischen Prozess in der Ergosphärenphysik, der dem rotierenden Loch Rotationsenergie entziehen kann: der Penrose-Prozess. Hier ist die Wechselwirkung in der Magnetosphäre unbedeutend, wichtig ist nur, dass Teilchen in die Ergosphäre eintreten und dort zerfallen.

Begrifflich ist die Blauverschiebung der Gegenpart zur Rotverschiebung. Es ist ein Begriff aus der Spektroskopie, in der man Spektrallinien von Atomkernen, Atomen und Molekülen untersucht. Diese können in Absorption oder Emission auftreten, je nachdem, ob Energie aufgenommen oder abgegeben wird. Die Energie wird elektromagnetisch in Form von Photonen ausgetauscht, ist also gequantelt (siehe Quant, Quantentheorie). Photonen besitzen eine wohl definierte Frequenz bzw. Wellenlänge.

Raumzeit und Bewegung formen eine Linie

Wo sich die Spektrallinien im Spektrum befinden, hängt nicht nur von den Einzelheiten des Quantenübergangs, des Quantensprungs, ab, sondern auch vom Bewegungszustand der Strahlungsquelle relativ zum Beobachter/Detektor und auch von der Krümmung der Raumzeit.
Befindet man sich im Ruhesystem (Relativgeschwindigkeit null zwischen Emitter und Beobachter) des Emitters, so misst man die Spektrallinie bei ihrer Ruhewellenlänge. Nun kann aber auch eine Relativbewegung zwischen Strahlungsquelle und Detektor vorliegen. Wesentlich ist nur diejenige Geschwindigkeitskomponente, die in Richtung des Detektors zeigt (Geschwindigkeit ist ein Vektor). Diese Komponente heißt Radialgeschwindigkeit. Ihr Betrag ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Emitter und Detektor.

Blau- vs. Rotverschiebung - Antagonisten der Spektroskopie

Bewegt sich die Strahlungsquelle auf den Beobachter zu, so wird die Spektrallinie zu kleineren Wellenlängen hin verschoben. Dies ist gerade die Blauverschiebung, weil die Linie zum blauen Teil des Spektrums verschoben wird. Anschaulich kann man sich vorstellen, wie die elektromagnetische Welle gestaucht wird. Bewegt sich die Strahlungsquelle vom Beobachter weg, so wird die Spektrallinie zu größeren, roten Wellenlängen hin verschoben. Die Welle wird gewissermaßen auseinander gezogen. Dies nennt man Rotverschiebung.
Die ganze atomare und molekulare Welt ist aufgrund der Thermodynamik in Bewegung. Bei endlicher Temperatur bewegen sich diese Strahler geringfügig um eine Ruhelage. Spektrallinien haben deshalb eine natürliche Breite aufgrund atomarer Bewegung und Molekularbewegung, weil sie sich relativ zum Detektor immer ein wenig vor und zurück bewegen. Dieses Phänomen nennen Physiker thermische Dopplerverbreiterung. Die Ruhewellenlänge ist also nicht beliebig scharf! Das kann sie zudem auch aufgrund der Heisenbergschen Unschärfe der Quantentheorie nicht sein.

Viele Teilchen, viele Freiheiten

Die Molekülspektroskopie ist komplizierter, weil die Atome im Molekül zusätzliche rotatorische und vibratorische Freiheitgrade haben, d.h. sie können gegeneinander schwingen und sich umeinander drehen. Als simples Beispiel möge ein zweiatomiges Molekül dienen, das man sich wie eine Hantel vorstellen kann. Diese Hantel kann im Allgemeinen um drei Raumachsen rotieren. Der Freiheitsgrad mit der 'Hantelstange' als Rotationsachse fällt heraus, weil er das zweiatomige System invariant lässt. Die beiden anderen Rotationsmoden können über den Austausch von Rotonen, den Quanten der Rotationsbewegung, angeregt werden. Die Vibronen werden ausgetauscht, wenn die beiden Atome gegeneinander entlang der 'Hantelstange' schwingen. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade äußern sich in komplexeren Molekülspektren und eng benachbarten Spektrallinien, weil der Energieaustausch durch Rotonen und Vibronen sehr klein ist. Besonders charakteristisch sind die Rotationsbanden.

So schnell wie das Licht...

Der oben vorgestellte klassische Doppler-Effekt wird bei Relativgeschwindigkeiten, die vergleichbar werden mit der Lichtgeschwindigkeit durch die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) modifiziert.

Schwerkraft zieht an der Linie

Befindet sich nun die Strahlungsquelle im Gravitationsfeld einer Masse (oder allgemeiner gesprochen einer Energie) so findet eine Rotverschiebung statt, die vom Gravitationsfeld verursacht wird: die Gravitationsrotverschiebung oder gravitative Rotverschiebung. Die Beschreibung dieses Effekts gelingt mit der Allgemeine Relativitätstheorie. Hier definiert man eine relativistische Verallgemeinerung des klassischen Dopplerfaktors, die man generalisierter Dopplerfaktor, g-Faktor oder Rotverschiebungsfaktor nennt. In diesen Faktor gehen die Metrik, vor dessen Hintergrund die Strahlung propagiert und das Geschwindigkeitsfeld des Emitters, formuliert in einem geeigneten Koordinatensystem (z.B der ZAMO bei Schwarzen Löchern), ein.

Expandierender Kosmos zerrt an der Lichtwelle

Die kosmologische Rotverschiebung, also die Rotverschiebung der Strahlung sehr weit entfernter, extragalaktischer Strahlungsquellen, rührt daher, weil das Universum expandiert. Sein gesamter Inhalt, auch Galaxien, befindet sich auf dem Hintergrund einer in alle Richtungen (isotrop) expandierenden Raumzeit. Dies beschreibt man mit der Robertson-Walker-Metrik. Das berühmteste Beispiel kosmologisch rotverschobener Strahlung ist die Hintergrundstrahlung. Sie ist das 'Echo des Urknalls' und verließ in der Rekombinationsära - lokal noch als heiße Strahlung des expandierenden Feuerballs - die 'Oberfläche des letzten Streuakts' (engl. last scattering surface).
Eine kosmologische Blauverschiebung wird nicht beobachtet. In der Theorie ist dieser Effekt dennoch möglich, nämlich dann, wenn wir in einem kollabierendem Universum leben würden. Diese Form der kollabierenden Raumzeit existiert als eine Realisierung der dynamischen Friedmann-Weltmodelle.

Blaue Brüder

Blauverschiebung gibt es nur als lokalen Effekt in unmittelbarer Nachbarschaft: die Andromedagalaxie in der Lokalen Gruppe bewegt sich auf die Milchstraße zu. Ihre Strahlungsemission wird durch die Bewegung blauer als sie intrinsisch ist.
Speziell relativistische Blauverschiebung in Form von Vorwärts-Beaming ist wichtig bei leuchtenden, signifikant geneigten Standardakkretionsscheibe um Schwarze Löcher. Die physikalische Ursache dafür liegt in einer hohen, relativistischen Geschwindigkeit des emittierenden Scheibenplasmas in Richtung Beobachter. Der g-Faktor wird in diesem Fall deutlich größer als 1. Weil er auch in höherer Potenz in den detektierten Strahlungsfluss eingeht, sorgt diese Blauverschiebung für ein besonders helles Emissionsgebiet auf der Standardscheibe. Bei kleinen Neigungen (face-on disk) verschwindet es, weil dann keine Relativbewegung zwischen emittierendem Plasma und Beobachter vorliegt.

Ein Blick in rasende Strahlen

Bei relativistischen Jets ist diese Blauverschiebung von ähnlicher Relevanz, wenn der Jet eine Bewegungskomponente zum Beobachter hat. Per definitionem ist dies bei den Blazaren gegeben, einem sehr leuchtkräftigen Typus von Aktiven Galaktischen Kernen. Die Elektronen im Jetplasma strahlen typischerweise Synchrotronstrahlung und Bremsstrahlung ab, die diesen Effekten unterliegt.

Dies ist ein weiterer Vertreter der Aktiven Galaktischen Kerne, und sie gehören hier zu den spektakulärsten und stärksten Repräsentanten. Die Wirtsgalaxien sind ausschließlich elliptischen Hubble-Typs, was im klassischen Modell der Galaxienentwicklung bedeutet, dass es sich um alte Sternensysteme handelt, die aus der Verschmelzung (jüngerer) Spiralgalaxien hervorgegangen sind.

Eigenschaften dieser Höllenmaschinen

Blazare haben einen ausgeprägten, kompakten Radiokern und zeigen Emission von Gammastrahlung bis in den Bereich von TeV! In der Gammaleuchtkraft übertreffen sie sogar die leuchtkräftigen Quasare! Sie sind über den gesamten Spektralbereich sehr variabel auf kurzen Zeitskalen (Tage!). Die Emissionsregion muss entsprechend sehr klein sein und nur wenige Lichttage im Durchmesser haben. Zur Einordnung: ein Lichttag entspricht etwa 173 AU, wobei die Bahn des Zwergplaneten Pluto bei etwa 40 AU ist. Der variable, innerste Bereich von Blazaren ist also bereits auf der Längenskala unseres Planetensystems!
Blazare besitzen ausgeprägte Jets. Per definitionem schaut der Beobachter bei Blazaren in den Jetstrahl mehr oder weniger hinein. Diese Jets sind also schwach geneigt (Inklinationswinkel etwa kleiner als 15 Grad) und aus diesem Grund sieht man meist nur einen einseitigen Jet. Dadurch dass sich das Jetplasma mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegt, wird die Strahlung in Bewegungsrichtung kollimiert. Dies bezeichnet man als Vorwärts-Beaming (siehe Blauverschiebung). Als Folge sieht der Beobachter durch diesen Effekt der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) eine intensivere Emission des Jetstrahls der auf die Erde zeigt und eine unterdrückte Emission des Jetstrahls, der von der Erde wegzeigt (Back Beaming).

Schneller als das Licht - nicht wirklich

Als weiterer speziell relativistischer Effekt tritt die (scheinbare!) Überlichtgeschwindigkeit (engl. superluminal motion) auf. Man kann leicht mit den Methoden der SRT zeigen, dass die beobachtete Geschwindigkeit von Jetstrukturen die Lichtgeschwindigkeit um ein Vielfaches überschreiten kann. So misst man bei einigen Blazaren Geschwindigkeiten von Emissionsknoten (helle Gebilde im Jetstrahl) von 10c oder mehr! Dies kommt durch die spezielle Orientierung des Jets relativ zum Beobachter zustande. Intrinsisch bewegt sich der Jet natürlich relativistisch korrekt mit zwar sehr hohen, jedoch Unterlichtgeschwindigkeiten.

Ein Kamel von einem Spektrum

Die Blazar-Spektren zeigen oft einen 'Doppelhöcker' (Brown et al.: 'double humped'), der auf Synchrotron-Selbstabsorption (SSA) (siehe dazu Synchrotronstrahlung) zurückzuführen ist. Die TeV-Emission entstammt in einem konservativen Modell dem Prozess der Comptonisierung von der UV-Emission der Standardscheibe. In einem nicht-konservativen Modell, dem so genannten Proton Blazar Modell (Mannheim et al.) wird hingegen angenommen, dass im Jet Protonen (als hadronische Komponente neben den leptonischen Elektronen) auf ultra-relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Schocks im Jetplasma sollen über den Mechanismus der Fermi-Beschleunigung die Protonen auf diese Geschwindigkeiten bringen. Bei diesen hohen Protonenergien können nun über p-p-Kollisionen und p-γ-Reaktionen (Photonen des Hintergrunds, des Jets, der Scheibe) Pionen erzeugt werden, die unter den Bedingungen eines optisch dünnen Jets in Myonen und Myon-Neutrinos zerfallen. Die Myonen zerfallen weiter und erzeugen so auch Elektron-Neutrinos, so dass beide Vertreter dieser Leptonen im Verhältnis 2:1 (Myonenspezies zu Elektronspezies) gebildet werden. Dieses Verhältnis wird durch Neutrinooszillation auf 1:1 verschoben. Sollten diese Prozesse tatsächlich in den Blazar-Jets oder AGN-Jets im allgemeinen ablaufen, so sind AGN-Jets starke Neutrinoemitter und zwar mit Neutrinoenergien im Bereich von 1 bis 100 TeV! Man nennt sie UHE-Neutrinos, für ultra-hochenergetische (engl. ultra-high energetic) Neutrinos. Dieser Prüfstein wird von der nächsten Generation Neutrinodetektoren getestet werden: als Detektormaterial werden Eis (AMANDA, ICECUBE) oder Wasser (BAIKAL, NESTOR, ANTARES) genutzt. In diesen Medien werden wenn Neutrinos einfallen Myonen induziert, die zunächst höhere Geschwindigkeiten im Medium haben als Licht. Dann geschieht das optische Analogon des akustischen Überschallknalls: die Myonen emittieren Cerenkov-Strahlung, dessen Einhüllende einen Machschen Kegel bildet. Die Cerenkov-Photonen treffen lichtempfindliche Detektoren (engl. photomultiplier tubes, kurz PMTs) am Boden des Eis- oder Wasservolumens und werden so nachgewiesen. Die Beobachter können nun mit vielen PMTs die Myonen-Spur rekonstruieren (likelyhood Analyse) und um einen Versatz die Richtung am Himmel lokalisieren, aus der die UHE-Neutrinos (ultra-high energetic) kamen. Ein sicherer Nachweis von UHE-Neutrinos aus AGN wäre spektakulär!

Gigantische zentrale Motoren: superschwere Löcher

Die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Blazare gehören zu den größten überhaupt, wie Messungen der stellaren Geschwindigkeitsdispersion anhand des Kalzium Tripletts kürzlich ergeben haben (Barth et al., 2002): So besitzt der Blazar Markarian 501 ein Schwarzes Loch im Innern, das eine Masse von 0.9 bis 3.4 Milliarden Sonnenmassen aufweist!

Blazar Distanzrekord

Der am weitesten bisher detektierte Blazar im TeV-Bereich heißt H 1426+428 und hat eine Rotverschiebung von z = 0.129 (Aharonian et al. 2002).

Blaue Quasare

Man kennt eine weitere Klasse von Objekten, die man mittlerweile eher den Blazaren zuordnet: die Blauen Quasare (blue quasars), kurz BQs genannt. BQs zeigen intensive, breite Emissionslinien, ein 'flaches, hartes' und ein 'steiles, weiches' Röntgenspektrum (flach/steil bezieht sich auf die Steigungen der spektralen Äste; hart/weich auf die Energie der Strahlung). Gemäß Georganopoulos (2000) handelt es sich bei den BQs um 'verstellte' Blazare.
In eine ähnliche Richtung zielen die Unifikationsabsichten von Boettchen & Dermer (2001), die den früheren Blazar-Unterklassen,

• FSRQs (flat spectrum radio quasars), also radio-lauten Quasaren mit flachem Spektrum,
• LBLs (low-frequency peaked BL Lac Objects), also BL Lac Objekten, die bei kleinen Frequenzen ausgeprägt sind
• und HBLs high-frequency peaked BL Lac Objects, also BL Lac Objekten, die bei hohen Frequenzen ausgeprägt sind, folgendes Entwicklungsschema zuordnen: wie unter anderem die Abnahme der Akkretionsrate nahe legt, sind die Klassen über den Entwicklungspfad FSRQ nach LBL nach HBL verknüpft. Demzufolge sind FSRQs ältere und HBLs jüngere Blazare. Zukünftige Beobachtungen sollen diese These stützen.

Weitere prominente Vertreter der Blazare sind Markarian 421, Mrk 501, W Comae, 3C 279 und GB1428+4217 (z = 4.72).

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© Andreas Müller, August 2007

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