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Das staubige Herz einer aktiven Galaxie

13.03.2014

Astronomen beobachten eine dichte Scheibe und einen hellen Schlot im Zentrum des Circinus-Sternsystems

Forscher um Konrad Tristram vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie haben die bisher detailreichste hochaufgelöste Infrarotstudie von der Umgebung eines extrem massereichen schwarzen Lochs im Zentrum eines aktiven Sternsystems veröffentlicht.


Im Herzen der Circinus-Galaxie: Das Bild rechts zeigt die inneren 1000 Lichtjahre des Sternsystems im sichtbaren Licht. Der aktive Kern (im kleinen schwarzen Quadrat) wirft intensive Strahlung und gasförmige Materie nach außen. Beides entweicht ausschließlich entlang eines kegelförmigen Bereichs in Richtung Nordwesten (oberer rechter Teil des Bilds), angedeutet durch die blau gestrichelten Linien. In allen anderen Richtungen verdecken dichtes Gas und Staub die Kernregion der Galaxie. Diesen absorbierenden Staub haben die Astronomen jetzt mit dem Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte in bisher unerreichter Genauigkeit untersucht. Das linke Bild (es entspricht in seiner Größe dem schwarzen Quadrat im rechten Teilbild) zeigt ein Falschfarbenmodell der Staubemission. Die Staubstrahlung kommt aus einer relativ dünnen scheibenartigen Struktur (weiß) und aus einem ausgedehnten, senkrecht dazu gelegenen Bereich. Die innere Scheibe lässt sich ebenfalls durch Emission des Wassermoleküls (rot-grün-blaue Linie) nachweisen. Die Staubemission wird in Richtung Südosten (unten links) stärker absorbiert als in Richtung Nordwesten (oben rechts), verdeutlicht durch den Farbwechsel von Violett zu Grün.

© Konrad Tristram (links) / NASA HST, News Release STScI-2000-37 (rechts)

Die Beobachtungen der Circinus-Galaxie zeigen zum ersten Mal, dass der von der zentralen Energiequelle beleuchtete Staub in zwei voneinander getrennten Komponenten auftritt. Dabei ist eine verbogene Staubscheibe im Innern von großräumig verteiltem Staub umgeben. Letzterer dürfte den überwiegenden Anteil der Abschattung in der Nähe des zentralen schwarzen Lochs verursachen.

In den Kernregionen von aktiven Galaxien verschluckt ein zentrales supermassereiches schwarzes Loch große Mengen an Materie. Diese wird auf ihrem „Sturzflug“ in den Schwerkraftschlund derart heiß und leuchtkräftig, dass sie die gesamte übrige Galaxie mit ihren Milliarden von Sternen überstrahlt. Die dabei im Zentralbereich freigesetzte Energie wirkt sich auf die umgebende Galaxie aus. Daher sollten aktive Galaxienkerne eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Milchstraßensystemen spielen und auf diese Weise das derzeitige Erscheinungsbild des Universums signifikant mitgestaltet haben.

Den Astronomen ist nun ein vorher nicht erreichter klarer Blick auf Struktur und Verteilung des warmen Staubs im Kernbereich der Circinus-Galaxie gelungen; dabei nutzten sie das MIDI-Instrument am Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacamawüste. Die Circinus-Galaxie liegt in Richtung des südlichen Sternbilds Circinus (Zirkel) in nur 13 Millionen Lichtjahren Entfernung und beherbergt in ihrem Zentrum einen der nächstgelegenen und demzufolge hellsten aktiven Kerne.

„Wir haben mindestens doppelt so viele interferometrische Daten gesammelt wie für alle anderen Galaxien“, sagt Konrad Tristram vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der Erstautor der Veröffentlichung. „Durch unsere Beobachtungen wird die Circinus-Galaxie zur am besten untersuchten Quelle in optischer und Infrarot-Interferometrie außerhalb unserer Milchstraße.“ Durch die Verknüpfung von zwei separaten Teleskopen steigern die interferometrischen Messungen die räumliche Auflösung am Himmel zu der eines Teleskops mit 92 Meter Durchmesser.

Im Fall der Circinus-Galaxie haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass die Strahlung des Staubs im zentralen Bereich aus zwei komplett unterschiedlichen Bereichen stammt – einer inneren, scheibenförmigen Struktur und einer weiteren Komponente, die sich in senkrechter Richtung dazu erstreckt. Die innere Staubscheibe hat einen Durchmesser von etwa drei Lichtjahren und stimmt in ihrer Position sehr gut mit einer verbogenen Gasscheibe überein, die sich mittels der Strahlung des Wassermoleküls nachweisen lässt.

Die innere Staubscheibe wird umgeben von einer wesentlich größeren Staubverteilung mit einer Ausdehnung von mindestens sechs Lichtjahren. Dabei zeigt sich nur der innere Rand des Staubes, der von der Strahlung aus der Zentralregion direkt ausgeleuchtet wird. Dieser Schlot dehnt sich offenbar senkrecht zu der Staubscheibe aus. Dabei wird die südöstliche Seite wesentlich stärker verdunkelt als die nordwestliche – was zu der starken Asymmetrie und Farbänderung in der beobachteten Strahlung führt.

„Daraus schließen wir, dass die ausgedehntere Staubkomponente die Abschirmung des Zentralbereichs und die Begrenzung des sichtbaren Ionisationskegels verursacht“, sagt Leonard Burtscher vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. „Wir sehen nur den direkt ausgeleuchteten Bereich am inneren Rand dieser Komponente. Das steht im Widerspruch zu einigen früheren Annahmen.“

Aktive Galaxienkerne erscheinen in zwei unterschiedlichen Klassen: Die einen gestatten den direkten Blick auf den inneren Kernbereich mit der Akkretionsscheibe, in der die großen Energiemengen freigesetzt werden; bei den anderen ist der Blick in diesen zentralen Bereich versperrt. Diese Zweiteilung wird normalerweise geometrisch erklärt: eine Donut förmige Verteilung („Torus“) von dichtem Gas und Staub umgibt den Zentralbereich des aktiven Galaxienkerns.

Von oben betrachtet, kann man durch das Loch im Torus direkt bis zum Zentralbereich durchsehen, während von der Seite aus das Material des Torus` die Durchsicht versperrt. Der Torus selbst dürfte auch eine wichtige Rolle bei der Fütterung des supermassereichen Schwarzen Lochs spielen. Er liefert das Material, das schließlich vom Zentralobjekt verschluckt wird. Die Untersuchung der Funktion dieses Torus` wird damit bedeutsam für das Verständnis von aktiven Kernen und deren Rolle bei der Galaxienentwicklung.

Obwohl das Bild des Torus` nun sehr viel klarer geworden ist, bleiben offene Fragen. Zum Beispiel haben beide Staubkomponenten, die innere Scheibe und die ausgedehntere Komponente senkrecht dazu, eine identische Temperatur von rund 300 Kelvin, entsprechend etwa 30 Grad Celsius. Überraschenderweise gibt es keinen Anhaltspunkt für einen Temperaturanstieg zum Zentrum hin, wie es für eine zentrale Heizung des Staubes zu erwarten wäre.

„Das gleichzeitige Vorhandensein einer hellen scheibenförmigen Komponente und senkrecht dazu einer ausgedehnteren Staubkomponente – beide mit ähnlicher Temperatur – wird von den derzeitigen Modellen für aktive Galaxienkerne nicht vorhergesagt“, erklärt Gerd Weigelt, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsabteilung für Infrarotastronomie. „Wir brauchen also sowohl neue Modelle als auch neue VLTI-Beobachtungen mit dem kommenden MATISSE-Instrument, um unser Verständnis der dreidimensionalen Staubverteilung in aktiven Galaxienkernen zu verbessern.“

Ansprechpartner 

Konrad R. W. Tristram

Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

Telefon: +49 228 525-285
Fax: +49 228 525-229

 

Prof. Dr. Gerd Weigelt

Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

Telefon: +49 228 525-243

 

Dr. Norbert Junkes

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

Telefon: +49 228 525-399

 

Originalpublikation

 
K. R. W. Tristram, L. Burtscher, W. Jaffe, K. Meisenheimer, S. F. Hönig, M. Kishimoto, M. Schartmann, G. Weigelt
The dusty torus in the Circinus galaxy: a dense disk and the torus funnel
Astronomy & Astrophysics, 13 March 2014; DOI: 10.1051/0004-6361/201322698 (http://arxiv.org/abs/1312.4534)

Konrad R. W. Tristram | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8012950/circinus_sternsystem

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