Astronomen haben die Weitfeldansicht der Dark Energy Camera genutzt, um zu bestätigen, dass supermassive, von Schwarzen Löchern angetriebene Quasare im frühen Universum in dichten Nachbarschaften gepackt waren. Es scheint jedoch, dass diese kosmischen Biester nicht gerade die besten Nachbarn waren.
Das Team hinter dieser Forschung stellte fest, dass Quasare „laute Nachbarn“ sind, die Strahlung aussenden, die die Sternentstehung unterbrechen und so Galaxien „töten“ kann, die in ihrer engen kosmischen Nachbarschaft leben. Dies hat zur Folge, dass die nächstgelegenen Begleitgalaxien um einige Quasare nicht wachsen und daher zu klein und dunkel sind, um gesehen zu werden.
Das Team sagt, dass diese Ergebnisse über die „städtische Dichte“ von Quasaren und ihren Begleitgalaxien auch erklären könnten, warum einige frühere Studien über die Dichte des frühen Universums gezeigt haben, dass Galaxien und Quasare dicht zusammengepackt sind, während andere auf einen Mangel an Begleitgalaxien in der Nähe von Quasaren hingewiesen haben.
Um ihre Studie durchzuführen, wandten sich die Forscher an den Quasar VIK 2348–3054, der sich etwa 12,8 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Die Entfernung zu diesem Quasar ist dank des Atacama Large Millimeter Array (ALMA) sehr genau bestimmt.
Nachdem das Ziel ausgewählt war, ermöglichte die Dark Energy Camera (DECam), die am Víctor M. Blanco 4-Meter-Teleskop am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo in Chile montiert ist, dem Team die Durchführung der größten Himmelsgebietssuche aller Zeiten -Universum-Quasar. Während das drei Quadratgrad große Sichtfeld von DECam einen umfassenden Überblick über die kosmische Umgebung von VIK 2348–3054 bot, war sein Schmalbandfilter die perfekte Ergänzung, um dem Team eine genauere Betrachtung zu ermöglichen die den Quasar umgebenden Begleitgalaxien.
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„Diese Quasar-Studie war wirklich der perfekte Sturm“, sagte Teamleiter Trystan Lambert, Postdoktorand am Knotenpunkt der University of Western Australia des International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR), in einer Erklärung. „Wir hatten einen Quasar mit einer bekannten Entfernung, und DECam am Blanco-Teleskop bot das riesige Sichtfeld und den genauen Filter, den wir brauchten.“
Frühe Quasare verfügten über gut gefüllte Speisekammern
Quasare gehören zu den hellsten Lichtquellen im bekannten Universum und überstrahlen oft das kombinierte Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien. Der Motor, der diese Emissionen antreibt, sind zentrale supermassive Schwarze Löcher mit einer Masse, die millionenfach größer ist als die der Sonne.
Wie jeder Motor benötigen diese kosmischen Monster Treibstoff. Bei Quasaren geschieht dies in Form von Gas und Staub, die um die jeweiligen Schwarzen Löcher wirbeln, eine sogenannte „Akkretionsscheibe“, die die Hohlräume nach und nach speist. Der enorme Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs verursacht eine enorme Reibung in der Akkretionsscheibe, wodurch dieses Material überhitzt wird und Plasma und intensive elektromagnetische Strahlung entstehen, die die Emissionen des Quasars bilden.
Schwarze Löcher sind jedoch unordentliche Esser. Ein Teil des Materials wird durch starke Magnetfelder zu ihren Polen gelenkt, wo es auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als kollimierte Plasmastrahlen ausgestoßen wird. Auch helle elektromagnetische Emissionen begleiten diese Jets.
Um ihre starken Emissionen zu ermöglichen und ihren supermassereichen Schwarzen Löchern zu ermöglichen, im relativ frühen Universum zu enormen Größen heranzuwachsen, müssen Quasare daher von reichlich Material umgeben sein, von dem sie sich ernähren können.
Die zwangsläufig hohe Zufuhrrate hat viele Astronomen zu der Annahme veranlasst, dass sich Quasare in einigen der dichtesten Regionen des Universums befinden müssen, in denen viel Gas verfügbar ist. Verwirrenderweise haben Beobachtungen diese Idee jedoch nicht immer gestützt.
Um dies zu untersuchen, zählten Lambert und Kollegen Begleitgalaxien um VIK J2348-3054, indem sie eine spezifische Emission namens Lyman-Alpha-Strahlung maßen. Dies ist ein Zeichen für eine Form von Wasserstoff, der durch hohe Temperaturen die Elektronen entzogen wurden. Anschließend rekombinieren Elektronen und Wasserstoffkerne, wobei die zuvor ionisierten Wasserstoffatome einige Elektronen zurückgewinnen. Dies ist ein typischer Indikator für die Sternentstehung und weist somit darauf hin, dass jüngere und kleinere Galaxien Sternkörper hervorbringen.
Hilfreicherweise ist Lyman-Alpha-Strahlung ein guter Bestimmungsfaktor für Rotverschiebungswerte. die Änderung der Lichtfrequenz, die wir wahrnehmen, wenn sich eine Lichtquelle von unserem Standpunkt im Universum entfernt. Das bedeutet, dass es eine gute Möglichkeit ist, Entfernungen zu diesen kleinen, jungen Galaxien zu bestimmen. Aus diesen Messungen lässt sich dann ein dreidimensionales Modell der Region um einen Quasar erstellen.
Dabei fand das Team für den Quasar VIK J2348-3054 38 Begleitgalaxien in einer Entfernung von bis zu 60 Millionen Lichtjahren, was auf eine dichte Region des Weltraums hinweist. Zur Überraschung von Lambert und Kollegen stellten sie außerdem fest, dass in einer Entfernung von 15 Millionen Lichtjahren um den Quasar keinerlei Begleitgalaxien vorhanden waren.
Das könnte erklären, warum frühere Forschungen zur Untersuchung von Quasarumgebungen widersprüchliche Dichteergebnisse lieferten. Das liegt daran, dass sich die Forschung, die auf leeren Raum um Quasare hinwies, möglicherweise auf die unmittelbaren Regionen um diese supermassereichen Schwarzen Löcher konzentriert hat. Diese Regionen wären mit den nicht nachweisbaren Galaxien bevölkert, deren Sternentstehung zum Stillstand gekommen wäre. Umgekehrt betrachteten Forschungen, die überfüllte Regionen des Weltraums um Quasare herum zeigten, das Gesamtbild, vergrößerten jedoch nicht die unmittelbare Umgebung um Quasare. DECam lieferte ein klareres Bild, da es die bisher einzige Studie ermöglichte, die großflächige bis kleinflächige Daten umfasste.
„Die extrem weite Sicht von DECam ist notwendig, um die Umgebung von Quasaren gründlich zu untersuchen. Man muss sich wirklich einem größeren Bereich öffnen“, sagte Lambert. „Dies legt eine vernünftige Erklärung dafür nahe, warum frühere Beobachtungen im Widerspruch zueinander stehen.“
Die Forscher vermuten, den Grund für den scheinbaren Mangel an Begleitgalaxien in unmittelbarer Nähe dieses Quasars zu kennen. Sie vermuten, dass dies das Ergebnis der intensiven Strahlung des Quasars sein könnte, die die Entstehung von Sternen behindert und somit das Wachstum von Galaxien in unmittelbarer Nähe verhindert. Das bedeutet, dass es diese Galaxien wahrscheinlich gibt, sie sind aber einfach zu klein und zu dunkel, um sie sehen zu können.
„Einige Quasare sind keine ruhigen Nachbarn“, schlussfolgerte Lambert. „Sterne in Galaxien entstehen aus Gas, das kalt genug ist, um unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren. Leuchtende Quasare können möglicherweise so hell sein, dass sie dieses Gas in nahegelegenen Galaxien erhellen und aufheizen, wodurch dieser Kollaps verhindert wird.“
Die Forschung des Teams erscheint in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.
