Gut zu wissen!

Die Geheimnisse des Universums werden nicht immer in überraschenden, bahnbrechenden Entdeckungen enträtselt. Oft lüftet sich der Schleier in kleinen, langsamen Schritten, und manchmal dauert es Jahrzehnte, bis das vollständige Bild freigelegt ist. Die Erforschung des Himmelsobjekts BL Lacertae ist dafür ein gutes Beispiel. Einst als unbedeutender Beifang in die astronomischen Kataloge aufgenommen, entpuppte sich der vermeintliche veränderliche Stern als eine der größten Energieschleudern im Universum.

Im Jahr 1929 veröffentlichte der Astronom Cuno Hoffmeister in „Fortsetzung der Arbeiten zur Statistik der veränderlichen Sterne“ eine Liste mit 354 neuen Veränderlichen, die er fotografisch an der Sternwarte Sonneberg entdeckt hatte. Darunter befand sich ein sternförmiges Objekt im Sternbild Eidechse (Lacerta), dessen scheinbare Helligkeit zwischen 13 und 15 mag zu variieren schien. Hoffmeister klassifizierte es als kurzperiodischen Veränderlichen. Gemäß der Regeln für die Benennung veränderlicher Sterne erhielt das Objekt später die Bezeichnung BL Lacertae oder kurz BL Lac.

Lange Zeit hielten die Astronomen BL Lac also für einen veränderlichen Stern innerhalb unseres Milchstraßensystems, und sie widmeten ihm wenig Aufmerksamkeit. Das änderte sich Ende der 1960er Jahre, nachdem immer bessere Radioteleskope auch den Radiowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums für die Astronomie zugänglich gemacht hatten und ein seltsames Verhalten von BL Lac registrierten.

Eines der großen Radioteleskope, die in der Pionierzeit der Radioastronomie aufgebaut wurden, befand sich am Vermilion River Observatory der University of Illinois in den USA. Der Reflektor bestand aus einer 180 Meter langen Rinne mit parabolischem Querschnitt, die in eine natürliche Senke eingelassen worden war. Mit Hilfe der Erddrehung tastete dieses Teleskop seit 1959 den Himmel im Radiobereich ab. Eine der mit dieser Anlage entdeckten Radioquellen erhielt nach ihrer ungefähren Himmelsposition die Katalogbezeichnung VRO 42.22.01 (wobei die 42 für den Deklinationsbereich 42° bis 43° steht, die 22 für den Rektaszensionsbereich 22^h bis 23^h, und die 01 für die erste in diesem Himmelsareal entdeckte Quelle).

Die Radioquelle VRO 42.22.01 verhielt sich sehr merkwürdig: Ihre spektrale Energieverteilung stieg im Bereich der Meter- und Zentimeterwellen mit abnehmender Wellenlänge steil an und zeigte ein Doppelmaximum, was darauf hindeutete, dass die Quelle aus zwei Komponenten besteht. Zudem wurden während der mehrjährigen Messkampagne immer wieder Intensitätsschwankungen bis zu 50 Prozent und mehr beobachtet, die innerhalb von Wochen oder sogar von Tagen erfolgten. Die Radiostrahlung erwies sich zudem als teilweise linear polarisiert. Dies alles deutete auf eine nicht-thermische, also nicht-stellare Quelle hin, die in ihrer Charakteristik eher einer kompakten Galaxie oder einer der quasistellaren Quellen ähnelte, von denen seit Ende der 1950er Jahre mehrere durch Radiobeobachtungen entdeckt worden waren.

Ein entscheidender Fortschritt wurde erzielt, als es den beiden Radioastronomen John M. MacLeod und Bryan H. Andrew vom Algonquin Radio Observatory in Kanada 1968 gelang, die Position von VRO 42.22.01 präzise zu bestimmen und diese Radioquelle mit dem im Optischen sichtbaren „Stern“ BL Lac zu identifizieren.

Zugleich ging damit das Rätselraten erst richtig los. Denn im optischen Spektrum von BL Lac waren keinerlei Emissions- oder Absorptionslinien zu erkennen. Damit war weder ein Vergleich mit den physikalischen Eigenschaften anderer Objekte möglich, noch konnte eine Radialgeschwindigkeit ermittelt werden, aus der die Astronomen einen Hinweis hätten ableiten können, ob sich das Objekt innerhalb oder außerhalb unseres Milchstraßensystems befindet. Auf Aufnahmen der damals größten optischen Teleskope zeichnete sich BL Lac als Sternscheibchen ab, dessen Ränder ausgefranst oder verwaschen aussahen. Demnach konnte BL Lac entweder ein relativ nahe gelegener Stern sein, der von einem ungewöhnlichen planetarischen Nebel umgeben war, oder ein sehr weit entferntes, extragalaktisches Objekt wie etwa eine kompakte Galaxie.

Die kontinuierlichen Spektren im Optischen und im Radiobereich ähnelten noch am ehesten den quasistellaren Objekten oder kurz Quasaren. Es war bereits bekannt, dass diese Quasare sehr weit entfernte extragalaktische Quellen mit hoher Leuchtkraft sein müssen. Für den ersten bekannten Quasar, 3C 273, hatte Maarten Schmidt 1963 eine Rotverschiebung von 0,158 ermittelt, was eine Entfernung von mehr als 2 Milliarden Lichtjahren nahelegte.

War also BL Lac ebenfalls weit außerhalb unseres Milchstraßensystems gelegen? Der Verdacht wurde zur Gewissheit, als John B. Oke und James E. Gunn im Jahr 1973 mit dem Fünf-Meter-Teleskop des Mount-Palomar-Observatoriums ein Spektrum des nebligen Objekts um BL Lac aufnehmen und daraus eine Rotverschiebung von 0,07 ableiten konnten. Nach den damaligen Werten für die kosmologischen Parameter entsprach das einer Entfernung von 350 Millionen Parsec oder 1,1 Milliarden Lichtjahren.

Trotz aller Ähnlichkeiten in den Spektren von Quasaren und von BL Lac gab es aber auch Unterschiede. So gab es im kurzwelligen Bereich der Quasarspektren durchaus Anteile von thermischen Quellen mit breiten Emissionslinien, was auf heißes, sich schnell bewegendes Gas hinwies. Solche Linien fehlten bei BL Lac: Das kontinuierliche Spektrum und auch die schnellen Veränderungen in der beobachteten Intensität und Polarisation der Strahlung deuteten auf rein nicht-thermische Prozesse wie etwa die Erzeugung von Synchrotronstrahlung hin. War BL Lac also vielleicht einer Unterart von Quasaren zuzuordnen?

Die rasche Variabilität von BL Lac im Optischen und im Radiobereich setzte eine obere Grenze für die Ausdehnung der Strahlungsquelle. Denn weil sich ein physikalisches Signal höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann die Strahlungsquelle nicht größer sein als die Strecke, die Helligkeitsänderungen in der von ihnen benötigten Lichtlaufzeit von einem Ende zum anderen Ende der Quelle zurücklegen. Je rascher also die Intensitätsschwankungen erfolgen, umso kleiner muss die Strahlungsquelle sein. Da die Helligkeit von BL Lac im Visuellen manchmal um 0,3 mag innerhalb eines Tages schwankte, folgte daraus, dass die das Licht aussendende Region nur den Bruchteil eines Lichtjahres groß sein konnte – genau genommen kleiner als ein Lichttag, was ungefähr der Größe unseres Sonnensystems entspricht.

Diese Konsequenz brachte die Astronomen heftig ins Grübeln. Wie konnte eine Strahlungsquelle, die – verglichen mit den Abmessungen einer Galaxie – derart kompakt ist, über kosmische Entfernungen hinweg als Stern 14. Magnitude am irdischen Himmel leuchten? Im Grunde gab es nur zwei Antworten: Entweder stellte BL Lac eines der hellsten Objekte im Universum dar, für dessen Natur es noch keine Erklärung gab; oder es musste doch viel näher an der Erde liegen, was aber wiederum bedeutete, dass die Methode, aus der beobachteten Rotverschiebung auf die Entfernung eines Objekts zu schließen, im kosmischen Maßstab versagte.

Beide Antwortmöglichkeiten beschäftigten die Astronomen über Jahre hinweg, und letztlich mündeten die Forschungen in der Entdeckung einer völlig neuen Objektklasse, welche maßgeblich zur Entwicklung des gesamten Kosmos beigetragen hat.

Es zeigte sich bald, dass BL Lac kein Einzelfall ist. Weitere Radioquellen am Himmel, für die sich auch optische Gegenstücke fanden, wiesen ähnliche Eigenschaften auf. Es musste also für eine ganze Gruppe von Himmelsobjekten – nun nach dem Prototyp BL-Lac-Objekte genannt – eine Erklärung gefunden werden. Woher bezogen sie ihre Strahlungsenergie? Wie konnte ein Objekt, das vielleicht nicht größer ist als unser Sonnensystem, heller leuchten als eine Galaxie, die aus mehreren Milliarden Sternen besteht?

Gesucht war somit ein Prozess, der wesentlich mehr Energie freisetzt als die Kernfusion im Innern der Sterne. Der effizienteste Prozess, den die in unserem Universum gültigen Naturgesetze zulassen, ist die Umwandlung von Gravitationsenergie in Strahlungsenergie. Gravitation ist zwar die schwächste der vier Grundkräfte in der Natur, wegen ihrer unendlichen Reichweite und weil sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie aber die alles dominierende Kraft im Universum. Jede Masse übt über die Gravitation eine anziehende Wirkung auf andere Massen aus. Und wenn Materie aus großer Entfernung auf eine zentrale Masse fällt – ein Prozess, der fachsprachlich Akkretion genannt wird – wandeln sich große Mengen an Gravitationsenergie in andere Energieformen um.

Um die Leuchtkraft von BL-Lac-Objekten mit Hilfe der Akkretion zu erklären, musste die zentrale Masse das Milliardenfache der Sonnenmasse betragen. Andererseits musste diese gewaltige Masse in einem relativ kleinen Volumen versammelt sein. Das einzige Objekt, das diese Bedingungen erfüllen konnte, war ein Schwarzes Loch.

Lange Zeit blieben Schwarze Löcher rein hypothetische Konstrukte. Doch seit Anfang der 1970er Jahre mehrten sich Beobachtungen, dass solche kompakten Objekte tatsächlich im Universum existieren. Mit Cygnus X-1 wurde 1971 der erste Kandidat für ein stellares Schwarzes Loch innerhalb unseres Milchstraßensystems entdeckt. Hinweise, dass es in den Zentren von Galaxien sogar extrem massereiche Schwarze Löcher geben kann, folgten bald darauf: Beobachtungen von Messier 87, die 1978 veröffentlicht wurden, ließen sich nur erklären, wenn im Zentrum dieser Galaxie ein Schwarzes Loch von etwa fünf Milliarden Sonnenmassen vorhanden war.

In den Folgejahren entwickelten Theoretiker Modelle, um die verschiedenen Beobachtungen mit der Akkretion von Materie an einem extrem massereichen Schwarzen Loch zu erklären. Viele Daten mussten neu interpretiert und so mancher vorläufig eingeführte Begriff musste modifiziert werden. Je nach beobachteten Eigenschaften hatten nämlich die Astronomen extragalaktische Radioquellen in verschiedene Gruppen eingeteilt: Seyfert-Galaxien (der Klasse 1 und 2), Radiogalaxien, radiolaute und radioleise Quasare, BL-Lac-Objekte, OVV-Quasare (für optically violent variable quasar), und noch viele mehr, die alle unabhängig voneinander entdeckt worden waren. Jetzt ging es aber darum, die physikalische Ursache dieser unterschiedlichen Erscheinungsbilder herauszufinden.

Letztlich erwiesen sich alle genannten Klassifizierungen als Untergruppen von Galaxien, deren Kerne eine hohe Aktivität aufweisen. Diese aktiven Galaxienkerne (nach dem englischen Begriff active galactic nuclei meist als AGN abgekürzt) beruhen alle auf dem gleichen Mechanismus: Ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie sammelt Materie aus seiner Umgebung auf. Diese einströmende Materie kann wegen der Drehimpulserhaltung nicht direkt auf das Schwarze Loch einstürzen. Vielmehr bildet sich eine Akkretionsscheibe, in der sich die Materie durch Reibung stark aufheizt. Starke Magnetfelder sorgen dafür, dass geladene Teilchen in Form von entgegengesetzten Strahlenbündeln – sogenannten Jets – senkrecht zur Scheibenebene mit hoher Geschwindigkeit herausschießen.

Welches Erscheinungsbild irdische Beobachter wahrnehmen, hängt einerseits von den Eigenschaften des jeweiligen AGN ab, wie zum Beispiel von der Masse des Schwarzen Lochs, der Akkretionsrate und dem Vorhandensein von umgebenden Staub- und Gasschwaden, die einen Teil der freigesetzten Strahlung abschirmen oder Emissionslinien aussenden können. Maßgeblich ist aber auch die Orientierung der Akkretionsscheibe und insbesondere die Lage der Jets zur Sichtlinie.

Im Falle der BL-Lac-Objekte ist einer der beiden fast lichtschnellen Jets nahezu auf die Erde ausgerichtet. Starke relativistische Effekte sorgen aus der Perspektive der irdischen Beobachter dafür, dass sich der Jet scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt und sich seine Helligkeit durch einen Beaming genannten Effekt um rund  das Tausendfache verstärkt. Eine ungleichmäßige „Fütterung“ der Jets mit Materie und die heftige Dynamik starker Magnetfelder führt dazu, dass die beobachtete Helligkeit sich in kurzen Zeitspannen um ein Vielfaches ändern kann.

Heute fassen die Astronomen die BL-Lac-Objekte gemeinsam mit einer weiteren Untergruppe der AGN, den Flat-Spectrum Radio Quasars, zu einer neuen Kategorie zusammen, den Blazaren. Das Kunstwort Blazar geht auf einen Vorschlag des US-Astronomen Edward A. Spiegel aus dem Jahr 1978 zurück, der damit die Namen BL-Lac-Objekte und Quasare zu einem Begriff zusammenzog.

Blazare sind die extremsten Erscheinungsformen von aktiven Galaxienkernen, weil einer ihrer Jets fast genau auf die Erde zielt. Dabei senden sie nicht nur nach Art eines flackernden Scheinwerfers Licht und andere elektromagnetische Strahlung aus, sondern auch Teilchenstrahlung. Damit sind sie eine der Quellen für die kosmische Strahlung, die unser Sonnensystem durchdringt und gegen die Atmosphäre unserer Erde prasselt. Nach den Quellen der seit rund 100 Jahre bekannten kosmischen Strahlung hatten die Forschenden lange gesucht. Als erste extragalaktische Quelle, die kosmische Strahlung und auch hochenergetische Neutrinos ins All schleudert, wurde im Jahr 2018 der fast sechs Milliarden Lichtjahre entfernte Blazar TXS 0506+056 im Sternbild Orion identifiziert.

Die extrem massereichen Schwarzen Löcher, die den heftigen Energieauswurf von Blazaren und anderen aktiven Galaxienkernen antreiben, sind aber nicht nur auf ferne Galaxien beschränkt. Praktisch jede Spiralgalaxie enthält in ihrem Kernbereich ein extrem massereiches Schwarzes Loch. Und irgendwann in ihrer Entwicklung hat jeder Galaxienkern eine aktive Phase durchlaufen. Auch unsere eigene Galaxie, das Milchstraßensystem, enthält in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch. Allerdings sind dort „nur“ vier Millionen Sonnenmassen auf engem Raum konzentriert, und das Schwarze Loch zeigt relativ geringe Aktivität. Es ist aber ausreichend aktiv, um die Radioquelle Sagittarius A* anzutreiben.