Modelle aktiver Galaxienkerne

Um die Vorgänge in aktiven galaktischen Kernen erklären zu können, wurden verschiedene Modelle entwickelt. Um solch hohe Energiemengen zu erzeugen, wie sie z. B. ein Quasar liefert, reicht Kernenergie bei weitem nicht aus. Es muß sich hier um Gravitationsenergie handeln.

Ein Modell, welches alle aktiven galaktischen Kerne vereint, ist das Vereinheitlichte Modell (unification model). Demnach haben alle aktiven galaktischen Kerne die gleiche Struktur. Aus Unterschieden wie der Leuchtkraft, spektraler Zusammensetzung und dem Blickwinkel des Beobachters ergeben sich die unterschiedlichen Objekte, wie sie klassifiziert wurden.

Nach dem Vereinheitlichten Modell besteht ein aktiver galaktischer Kern aus folgenden Komponenten:

Zentrale Maschine

Die zentrale Maschine eines aktiven galaktischen Kerns ist ein massives Schwarzes Loch, in das Materie einströmt. Durch die Erhaltung des Drehimpulses stürzt die Materie nicht direkt in das Schwarze Loch, sondern sie umkreist es zunächst. Es bildet sich eine sogenannte Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch herum. Innerhalb der Akkretionsscheibe heizt sich die Materie durch Reibung bis auf einige Millionen Grad auf. Dabei wird enorm viel Strahlung erzeugt, auch im Röntgenbereich. Es ist also der gravitative Einfall der Materie in das Schwarze Loch, der die hohe Energie erzeugt, die Quasare und andere aktive galaktische Kerne so hell leuchten läßt.

Eine große Frage ist, ob vielleicht alle Galaxien im Kern ein massives Schwarzes Loch besitzen? Dies wird heute vermutet. Eine normale Galaxie unterscheidet sich von einer mit einem aktiven Kern dadurch, dass ihr Schwarzes Loch im Kern kaum an Masse zunimmt, also sehr wenig Materie dort hineinfällt, während bei einer Galaxie mit aktiven Kern viel Materie in das Schwarze Loch im Kern fällt, wodurch die hohe Leuchtkraft des Kerns erzeugt wird.

Jet

Besitzt die Akkretionsscheibe ein starkes Magnetfeld, bewegt sich bei bestimmten Konfigurationen ein kleiner Teil der Materie entlang der Magnetfeldlinien und wird senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe in den Weltraum befördert. Es bildet sich ein sogenannter Jet.

Jets sind im Radio- sowie im optischen und Röntgenbereich zu sehen. Etwa 10 Prozent aller aktiven galaktischen Kerne besitzen einen Jet. Es gibt zwei Erklärungen für die Entstehung des Jets. Er tritt nur bei bestimmten Konfigurationen des Magnetfeldes der Akkretionsscheibe auf. Das ist der Grund, warum nicht jeder aktive galaktische Kern einen Jet besitzt.

Die Voraussetzung für den Blandford-Payne Mechanismus ist ein rotierendes, magnetisiertes Plasma wie es in der Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch vorhanden ist. Die poloidalen Magnetfeldlinien reißen teilweise auf und verlassen die Oberfläche der Akkretionsscheibe. Dadurch können Teilchen des Plasmas aus der Akkretionsscheibe austreten - es entsteht ein Teilchenstrom, der sogenannte Scheibenwind.

Dadurch wird der Akkretionsscheibe Drehimpuls entzogen. Wenn die poloidalen Magnetfeldlinien einen Winkel von über 60 Grad mit der Akkretionsscheibe einschließen, kommt es zur Ausbildung des Jets. Der Jet besitzt in diesem Fall eine breite Basis (Scheibenwind).

Beim Blandford-Znajek Mechanismus ist ein rotierendes Schwarzes Loch vorhanden, ein sogenanntes Kerr Blackhole. In diesem Fall stammt die erforderliche Energie zur Ausbildung des Jets aus der Rotationsenergie des Schwarzes Loches. Ein rotierendes Schwarzes Loch reißt die Raumzeitstruktur mit sich herum, es rotiert also der gesamte Raum um ein Schwarzes Loch mit. Diesen Bereich nennt man Ergosphäre. Dadurch wird das Magnetfeld des in die Ergosphäre einströmenden Plasmas schlauchförmig. Es entsteht eine achsensymmetrische und torusförmige Magnetosphäre.

Ist die Magnetfeldstärke hoch genug, können sogenannte leptonische Paare aus Positronen und Elektronen erzeugt werden, die sich entgegengesetzt entlang der Magnetfeldlinien bewegen. Das Positron stürzt in das Schwarze Loch, während das Elektron auf hochrelativistische Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Durch diesen Prozess wird dem Schwarzen Loch Rotationsenergie entzogen, allerdings kann das Einfallen von Plasma in das Schwarze Loch dessen Drehimpuls auch wieder erhöhen. Bei einer parabolischen Konfiguration der Magnetfeldlinien bildet sich eine Doppeljetstruktur aus. Im Gegensatz zum Blandford-Payne Mechanismus hat dieser Jet aber keine breite Basis. Die Grafik unten zeigt das. Wir blicken hier von der Seite auf die Akkretionsscheibe.

Während beim Blandford-Znajek Mechanismus ein rotierendes Schwarzes Loch vorhanden sein muss, ist für den Blandford-Payne Mechanismus lediglich ein rotierendes Plasma erforderlich, wie es z. B. auch bei wechselwirkenden Doppelsternen oder kataklysmischen Veränderlichen nachgewisen wurde.

Wenn ein Jet auftritt, sieht man aber meist nur einen, obwohl es alleine aus Symmetriegründen eigentlich zwei sein müßten. Warum ist das so?

Grund dafür ist das Relativistische Beaming. Die Teilchen im Jet bewegen sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit (relativistische Geschwindigkeit). Für einen Beobachter, auf den sich der Jet ganz oder zumindest unter einem gewissen Winkel zubewegt, erscheint seine Strahlung erheblich verstärkt. Warum ist das so? Grund dafür ist zunächst die sogenannte Aberration. Aberration ist eine Änderung der scheinbaren Richtung eines Objekts, die durch die relative Querbewegung des Beobachters verursacht wird.

Wenn man z. B. in einem Auto durch senkrecht fallenden Regen fährt, erscheint der Regen im Gegensatz zu einem stehenden Auto nicht mehr senkrecht von oben, sondern schräge von vorne kommend und auch deutlich verstärkt. Je schneller das Auto fährt, desto stärker erscheint der Regen. Im Falle des sich auf dem Beobachter zubewegenden Teils des Jets scheint mehr Energie nach vorne geschickt zu werden. Zusätzlich tritt noch eine starke Blauverschiebung durch den Doppler-Effekt auf. Durch diese zwei Effekte kann die Strahlung bis zu einem Faktor von 100 verstärkt erscheinen.

Bei dem Teil des Jets, der sich vom Beobachter entfernt, tritt eine starke Rotverschiebung und eine Abschwächung der Strahlung auf. Diesen Effekt bezeichnet man als Relativistisches Beaming. Meist sehen wir aber nie direkt auf die Kante einer Akkretionsscheibe, und so ist die eine Hälfte des Jets immer auf den Beobachter zu-, die andere immer von ihm weggerichtet. Aus diesem Grund erscheint eine Hälfte des Jets immer schwächer, es sei den man hat den idealen Fall, dass man genau auf die Kante der Akkretionsscheibe sieht, und die beiden Jets parallel zu uns liegen. Der schwächere Teil wird auch als Counterjet bezeichnet.

Broad Line Region (BLR)

Die Region breiter Emissionslinien (BLR) ist gekennzeichnet durch ein Gebiet ionisiertem und sich schnell bewegenden Gases hoher Temperatur. Hier entstehen die breiten Emissionslinien im Spektrum, die auf Geschwindigkeiten bis zu 10.000 Kilometern pro Sekunde hinweisen. Da keine sogenannten verbotenen Linien beobachtet werden, scheint die Gasdichte in dieser Region sehr hoch zu sein. Die Größe der Region liegt bei einigen Lichttagen.

Narrow Line Region (NLR)

Die Region schmaler Emissionslinien (NLR) ist gekennzeichnet durch ein Gebiet ionisierten Gases, das etwas weiter vom Zentralobjekt entfernt ist (10 bis 100 Parsec). Hier entstehen die schmalen Emissionslinien im Spektrum, die auf Geschwindigkeiten von einigen 100 Kilometern pro Sekunde hindeuten. Es treten in dieser Region auch verbotene Linien auf, weshalb es sich hier um dünnes ionisiertes Gas handelt.

Torus

Das zentrale Schwarze Loch mit der Akkretionsscheibe und die BLR sind von einem donutförmigen Torus umgeben, der aus dichtem molekularem Material und Staub besteht und sich bis auf 1 bis 10 Parsec ausdehnt. Der Torus liegt nicht unbedingt in der Ebene der Galaxie und schirmt die aus dem Kern kommende Strahlung stark ab.

Beziehungen der einzelnen Objekte der AGN

Nach dem vereinheitlichten Modell liegen folgende Beziehungen zwischen den einzelnen aktiven galaktischen Kernen nahe:

Radioleise QSO und Seyfert 1 Galaxien: Unterscheiden sich nur durch ihre Leuchtkraft. Sie befinden sich meist in Spiralgalaxien und haben keinen Jet.

Radiolaute QSO und Radiogalaxien: Unterscheiden sich ebenfalls nur durch ihre Leuchtkraft. Sie befinden sich fast immer in Elliptischen Galaxien und haben einen Jet bzw. wir sehen bei ihnen auf die helle Seite des Jets.

Seyfert 2 Galaxien: Hier blicken wir auf den Staubtorus und die Broad Line Region (BLR) wird verdeckt. Nur im polarisiertem Licht zeigen sich breite Emissionslinien.

Blazare (OVV und BL Lac): Hier blicken wir von oben in den Jet.

Weitere Fragen

Auf etwa 100 Galaxien kommt eine Galaxie mit aktiven Kern. Die große Frage ist, ob letztlich alle Galaxien massive Schwarze Löcher in ihren Kernen besitzen? Wäre dies der Fall, ist eine Erklärung für die Inaktivität der anderen, nicht aktiven Galaxienkerne, dass das Schwarze Loch dort einfach nicht genug "Futter" hat, also dort nicht viel Materie hineinfällt. Vielleicht kann sogar jede Galaxie zu einem Quasar werden...