QSO-Museum: Ein großer Atlas kosmischer Strukturen um Quasare mit hoher Rotverschiebung
Quasare sind aktive, supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum massereicher Galaxien. Sie geben eine Energie ab, die weit über die gravitative Bindungsenergie ihrer Wirtsgalaxien hinausgeht. Diese enorme Energiemenge kann das Gas innerhalb und außerhalb der Galaxien beeinflussen und somit deren Entwicklung verändern. Die Bedeutung dieses Prozesses ist zwar weitgehend akzeptiert, doch seine Details sind nach wie vor umstritten. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) hat nun Beobachtungen der umfangreichsten Stichprobe von Wasserstoffstrukturen um Quasare im frühen Universum gesammelt, um diesen Rückkopplungsprozess besser zu verstehen. Die Daten zeigen, wie das Gas über Entfernungen von mehreren hunderttausend Lichtjahren auf die von den supermassereichen Schwarzen Löchern abgegebene Energie reagiert. Damit bieten sie einen neuen Ansatz zur Untersuchung des Einflusses von Quasaren auf die Entwicklung von Galaxien.
Der Einfluss von Quasaren auf ihre Umgebung spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der massereichsten Galaxien im Universum. Wenn das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie Materie ansammelt, kann ein Quasar entstehen. Dabei handelt es sich um einen hellen, energiereichen Ausbruch, der starke Winde ausstoßen und Strahlung in die umgebende Galaxie abgeben kann. Diese Energie kann das Gas, aus dem sich sonst neue Sterne bilden würden, entweder erhitzen oder vollständig verdrängen und so die Sternentstehung effektiv unterbinden. Dies erklärt, warum riesige Galaxien aufhören zu wachsen und sich mit älteren Sternen anreichern. Der Quasar kann aber nicht nur das interstellare Medium der Wirtsgalaxie (ihren lokalen Brennstoffvorrat) beeinflussen, sondern auch das umgebende intergalaktische Gas. Damit kann der Quasar auch den frischen Brennstoff für die zukünftige Sternentstehung in der Galaxie beeinflussen, wodurch die Sternentstehung noch schneller unterdrückt wird. Auch wenn diese Ideen bereits ausführlich diskutiert wurden, müssen die Details dieses Rückkopplungsprozesses erst noch vollständig verstanden werden.
Seit den 1980er Jahren wird vermutet, dass sich der Einfluss der Quasarenergie auf das umgebende Gas anhand einer der wichtigsten Linien des Wasserstoffatoms, der Lyman-Alpha-Linie, untersuchen lässt. In einem Wasserstoffatom kann das Elektron verschiedene Energieniveaus einnehmen, ähnlich wie Stufen auf einer Leiter. Diese spezifische ultraviolette Linie wird emittiert, wenn ein Elektron vom zweiten Energieniveau auf das erste fällt. Da Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, ist dieser Übergang allgegenwärtig und führt zu einer so hellen Emission, dass sie über Entfernungen von Milliarden Lichtjahren hinweg sichtbar ist. Dadurch ist es möglich, Galaxien und das sie umgebende Gas im frühen Universum zu untersuchen. Insbesondere neuartige Weitfeldspektrographen haben ein neues Fenster zur Lyman-Alpha-Emission um Quasare geöffnet. Sie ermöglichen die Detektion von emittierendem Gas in Entfernungen von mehreren hunderttausend Lichtjahren von den Wirtsgalaxien mit kurzen Belichtungszeiten (etwa eine Stunde, siehe beispielsweise die Highlights vom November 2019, Mai 2022 und Januar 2025).
Dank dieser neuen Instrumente, insbesondere des Integralfeldspektrografen MUSE am Very Large Telescope, hat ein internationales Team unter der Leitung des MPA die bislang größte Stichprobe von Quasaren untersucht, um deren Lyman-Alpha-Emission zu analysieren. Die Beobachtungen enthüllten komplexe Strukturen, die diese Quasare während des sogenannten „kosmischen Mittags” umgaben, einer Epoche vor etwa 11,5 Milliarden Jahren (Beispiele sind in Abbildung 1 dargestellt).
Ein wichtiger Punkt ist, dass die 120 untersuchten Quasare zwei Größenordnungen in ihrer Leuchtkraft abdecken. Dadurch konnte das Team die Auswirkungen unterschiedlicher Energiezufuhr untersuchen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die Oberflächenhelligkeit der Lyman-Alpha-Emission – also wie hell die Emission pro Winkelfläche erscheint – von der Leuchtkraft des Quasars abhängt.
Hellere Quasare sind mit einer helleren, ausgedehnteren Emission assoziiert (siehe Abbildung 2, oberes Feld). Ebenso sind hellere Quasare mit turbulenteren Gasreservoirs innerhalb von etwa 30 kpc (etwa 100.000 Lichtjahre, siehe unteres Feld in Abbildung 2) assoziiert. Beide Trends sind Hinweise auf den Einfluss der Quasar-Rückkopplung (Strahlung und Winde) auf ihre Umgebung.
Das Team quantifiziert diese Trends nun im Detail. So stellten sie beispielsweise fest, dass die Geschwindigkeitsdispersion auf inneren Skalen in Abhängigkeit von der Leuchtkraft des Quasars nach einem klar definierten Potenzgesetz variiert. Diese Ergebnisse könnten verwendet werden, um Quasar-Feedback-Modelle und deren Kopplung mit dem Gas zu testen. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, neben Lyman-Alpha weitere Linienemissionen zu untersuchen, um den Einfluss von Quasaren auf das Gas in großen Maßstäben sowie die physikalischen Eigenschaften des emittierenden Gases weiter einzugrenzen (siehe z. B. MPA-Highlight Juli 2025).
