In den 1960er Jahren entdeckten Astronomen Radioquellen am Himmel, die wie Sterne aussahen, aber keine Sterne sein konnten. Dafür waren sie viel zu weit weg. Später stellten sich diese “quasistellaren Objekte” oder “Quasare” als Zentren von aktiven Galaxien heraus. Dort sitzen gigantische schwarze Löcher und sorgen dafür, dass die Quasare heller leuchten als Milliarden Sterne. Wie das funktioniert, erklärt die aktuelle Folge der Sternengeschichten.

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Transkription

Sternengeschichten Folge 52: Was sind Quasare?

Über Sterne und Galaxien haben ich in den bisherigen Folgen des Podcasts schon sehr viel erzählt. Es gibt aber auch Galaxien, die so aussehen wie Sterne und die gehören zu den interessantesten Objekten des Universums…

In den 1960er Jahren hatte man noch nicht all zu viel Erfahrung mit der Radioastronomie. Die klassische Astronomie, bei der man das ganz normale Licht der sterne untersucht haben die Menschen schon seit Jahrtausenden betrieben. Aber mit dem Rest des elektromagnetischen Spektrums hatte man wenig Erfahrung. Das ist auch nicht verwunderlich, denn das meiste davon wird durch die Atmosphäre der Erde blockiert. Kosmische Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Mikrowellenstrahlung und der ganze Rest kann nur vom Weltall aus beobachtet werden. Und die ersten brauchbaren Raketen wurden erst während des zweiten Weltkriegs entwickelt. Die Radiostrahlung kann die Atmosphäre zwar teilweise durchdringen, aber auch hier hatte man die nötige Technik zur Beobachtung erst Mitte des 20. Jahrhunderts.

Anfang der 1960er Jahre entdeckten die Astronomen jedenfalls einige sehr starke Radioquellen am Himmel. Natürlich waren das keine Radiosender wie wir sie heute mit unserer Unterhaltungselektronik empfangen. Sternen und Galaxien senden kein Musikprogramm ins All und auch keine Nachrichten und keinen Wetterbericht. Sondern eben einfach nur ganz normale Radiowellen; genau so wie sie auch Lichtwellen aussenden. Das Sterne neben Licht auch Radiowellen und diverse andere elektromagnetische Strahlung ins All schicken, wusste man damals schon. Radioquellen am Himmel waren also keine riesige Überraschung. Es war allerdings überraschend, dass man NUR Radioquellen sehen konnte. Im Radioteleskop war die Strahlung deutlich nachweisbar. Aber wenn man die gleiche Region des Himmels dann mit einem normalen Teleskop beobachtet hatte, konnte man dort nichts sehen. Das, was die Radiosignale aussendet, war offensichtlich unsichtbar. Oder extrem lichtschwach.

Mit besseren Instrumenten konnte man dann aber bald doch etwas sehen. Einige der Radiosignale schienen von sehr schwach leuchtenden Sternen auszugehen. Genauer konnte man es nicht sagen, weil die Dinger kaum zu sehen waren. 1962 gelang es dann aber doch, Messungen zu machen mit denen sich die Entfernung zu einer dieser Radioquellen bestimmen ließ. Die Ergebnisse waren überraschend: Der Stern war unvorstellbar weit weg; das Licht war mehrere Milliarden Jahre lang zu uns unterwegs gewesen. Einen Stern in dieser Entfernung konnte man eigentlich nicht sehen können. Sterne sind zwar groß, aber auch wieder nicht so groß, dass sie aus solchen Entfernungen noch sichtbar sind. Trotzdem zeigten die Messungen, dass es so sein musste.

Einige Forscher waren der Meinung, dass man die Ergebnisse vielleicht falsch interpretierte. Vielleicht waren die sterne gar nicht so weit weg, sondern vergleichsweise nahe, aber enorm massereich. Ihr starkes Gravitationsfeld würde das Licht dann so stark schwächen, dass es nur so aussieht, als seien sie weit weg. Dieser Effekt der sogenannten gravitativen Rotverschiebung existiert tatsächlich – kann aber in diesem Fall nicht funktioniern. Díese Sterne müssten SO enorm massereich sein, dass sie nicht mehr stabil wären und sofort explodiern würden.

Es dauerte noch ein wenig, bis man wirklich herausfand, was hinter diesen mysteriösen Objekten steckte. Sie sahen aus wie Sterne, konnten aber keine Sterne sein. Deswegen haben sie auch den Namen Quasar bekommen, der sich aus quasistellar ableitet. Als die Teleskope im Laufe der Zeit immer besser wurden, konnte man auch immer mehr dieser Quasare nicht nur im Radiolicht sondern auch im normalen Licht beobachten. Und fand heraus, dass es sich nicht um mysteriöse Objekte handelte, sondern um Galaxien. Um die Zentren von Galaxien, um genau zu sein. Quasare waren die Kerne von Galaxien und aus irgendeinem Grund strahlten sie besonders viel Radiostrahlung aus.

Das muss nicht so sein. Die Sonne gehört zur Milchstraßengalaxie und das Zentrum dort ist definitiv kein Quasar. Würden aus dem Zentrum unserer Galaxie die gleichen Mengen an Strahlung ins All hinaus gelangen wie es bei den fernen Quasaren der Fall ist, dann würden wir das definitiv bemerken! Oder besser gesagt: Wir würden es nicht bemerken, weil diese riesigen Strahlungsmengen die Entstehung von Leben vermutlich verhindert hätten. Die Quasare sind Teil von sogenannten AKTIVEN Galaxien und unsere Milchstraße ist so gut wie gar nicht aktiv. Und um zu verstehen, warum das so ist, muss man sich ein wenig genauer mit dem beschäftigen, was in den Zentren von Galaxien vorgeht.

In der Mitte jeder großen Galaxie sitzt ein supermassereiches schwarzes Loch. Es ist so schwer wie ein paar Millionen Sterne und trotzdem normalerweise nicht weiter gefährlich. Wie ich in früheren Folgen schon erklärt habe, sind schwarze Löcher keine fiesen Staubsauger die alles einfach so ansaugen. Nur was ihnen zu nahe kommt, kommt nicht mehr weg. So lange das schwarze Loch also einfach nur da in der Mitte der Galaxie sitzt, passiert nicht viel. Interessant wird es erst dann, wenn es in der Nähe noch anderes Zeug gibt. Große Gaswolken zum Beispiel, die sich überall in einer Galaxie finden, aber besonders oft in den Zentren wo alles ein wenig dichter aneinandergedrängt ist.

Wenn sich das Gas aus so einer Wolke einem schwarzen Loch nähert, dann kann es nicht auf direktem Weg und einer geraden Linie in es hinein fallen. Das verbietet die Drehimpulserhaltung. Das Material bewegt sich UM das schwarze Loch herum. Aber weil es sich um ziemlich viel Material handelt und die Gasteilchen miteinander zusammenstoßen, verlieren sie Energie und wandern auf spiralförmigen Bahnen immer weiter auf das Loch zu bis sie irgendwann hinein fallen. Ein schwarzes Loch ist also von einer großen Scheibe aus Gas und Staub umgeben und diese Scheibe leuchtet enorm hell.

Die ganze Energie, die die Teilchen auf den Spiralbahnen verlieren wird ins All abgegeben und auch die Wechselwirkung dieser Teilchen mit dem Magnetfeld des schwarzen Lochs erzeugt Srahlung. Obwohl das schwarze Loch selbst also dunkel ist und kein Licht abgibt, leuchtet die Scheibe um das Loch herum umso heller. Sie leuchten heller als Millionen oder Milliarden Sterne und es kein WUnder, dass man sie noch aus sehr großer ENtfernung sehen kann. Quasare gibt es also nur, wenn die Galaxie noch ausreichend Gas enthält, dass in das schwarze Loch fallen kann. Unsere Milchstraße ist schon eine alte Galaxie und hat nicht mehr viel Gas übrig. Das meiste davon wurde schon für die Entstehung von Sternen verbraucht. Aber auch Quasare selbst sorgen dafür, dass das Gas schneller verschwindet als es normalerweise der Fall wäre.

Denn das Gas fällt nicht nur in das schwarze Loch hinein. Ein Teil davon wird entlang der Magnetfeldlinien in zwei großen Strömen mit hoher Geschwindigkeit ins All hinaus geschleudert. Diese Ströme nennt man Jets und sie können Millionen Lichtjahre lang sein. Auf ihrem Weg hinaus ins All preschen sie durch die ganze Galaxie und fegen dabei das ganze Gas weg, dass noch vorhanden ist. Eine aktive Galaxie mit einem starken Quasar in ihrem Zentrum wird also nach einer gewissen Zeit wesentlich weniger Sterne hervorbringen als früher weil ein Großteil des dafür nötigen Gases hinaus geblasen wird.

QUasare sind aber nicht nur sehr faszinierende Himmelsobjekte von denen wir viel über die Entwicklung von Galaxien lernen können. Ihre Beobachtung hat auch ganz praktische Anwendungsmöglichkeiten. Sie sind enorm weit entfernt und das bedeutet, dass sie sich von der Erde aus gesehen kaum zu bewegen scheinen. Sie bewegen sich natürlich schon, aber weil sie eben so weit weg sind, bekommen wir von dieser Bewegung nichts mit. Gleichzeitig sind sie enorm hell und trotz dieser Entfernung gut zu sehen. Deswegen werden sie als Referenzpunkte für das International Celestial Reference System verwendet, ein Koordinatensystem in dem die Positionen von Sternen und Planeten gemessen wird und das überall dort benötigt wird, wo man im Weltraum genaue Positionsangaben benötigt. Wenn wir einen Satelliten in eine Umlaufbahn um die Erde schicken oder eine Raumsonde zum Mars, dann helfen uns die schwarzen Löcher ferner Galaxien und ihre strahlenden Zentren dabei, nicht die Orientierung zu verlieren!

Kommentare (26)

  1. #1 Till
    22. November 2013

    Mir geht seit dem Hören der Folge eine Frage nicht mehr aus dem Kopf: Wie passiert das Magnetfeld des schwarzen Loches eigentlich den Ereignishorizont?

    Soweit ich das verstanden habe, wird die Elektromagnetische Kraft ja von Photonen übertragen und bei der Wirkung dieser Kraft auf Elementarteilchen wird ein Photon ausgetauscht. Bekanntermassen können Photonen aber dem schwarzen Loch nicht entkommen. Wie kann also das Schwarze Loch eine magnetische Kraft auf etwas jenseits des Ereignishorizontes ausüben?
    Ich bin mir sicher, dass das Missverständnis bei mir liegt, aber ich komme nicht darauf wo.

  2. #2 Florian Freistetter
    22. November 2013

    @Till: Naja, das Magnetfeld ist ja schon vorher da. Wir haben das Thema irgendwo in den Kommentaren schon mal ausführlich diskutiert. Weiß jemand zufällig noch, wo das war?

  3. #3 Alderamin
    22. November 2013

    @Florian

    Hab’ jetzt die Sternengeschichte noch nicht angehört, aber dass Schwarze Löcher (nicht deren Akkretionsscheiben) ein Magnetfeld haben können, wäre mir neu.

    Wenn es um ein elektrisches Feld geht, da finde ich auf die Schnelle zwei Kommentarstränge:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/01/14/astronomen-beobachten-material-das-in-ein-schwarzes-loch-fallt/#comment-186259

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/03/21/was-passiert-wenn-die-erde-mit-einem-kleinen-schwarzen-loch-kollidiert/#comment-142306

    Meintest Du diese?

  4. #4 Florian Freistetter
    22. November 2013

    @Alderamin: “aber dass Schwarze Löcher (nicht deren Akkretionsscheiben) ein Magnetfeld haben können, wäre mir neu. “

    Naja, da meinen wir wahrscheinlich das gleiche. Da ist ein Loch und da ist ein Magnetfeld. Und im normalen Gebrauch (auch in der Wissenschaft) sagt man da halt oft “Das Magnetfeld des Lochs”…

  5. #5 Alderamin
    22. November 2013

    @Florian

    Hab weiter unten im zweiten Link noch eine gute Antwort von Niels gefunden, der kennt sich ja weit besser als ich aus. Und zumindest beim Kollaps eines geladenen Schwarzen Lochs gibt’s auch ein Magnetfeld:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/03/21/was-passiert-wenn-die-erde-mit-einem-kleinen-schwarzen-loch-kollidiert/#comment-142443

    “Das Magnetfeld des Lochs”

    Wie gesagt, die Folge habe ich noch nicht angehört, deswegen weiß ich nicht genau, worauf sich Tills Frage bezieht, aber was das Magnetfeld der Akkretionsscheibe betrifft: da sich dieses komplett außerhalb des Ereignishorizonts befindet, braucht hier ja gar nichts dem Ereignishorizont zu entkommen.

  6. #6 Alderamin
    22. November 2013

    <blockquote zumindest beim Kollaps eines geladenen Schwarzen Lochs gibt’s auch ein Magnetfeld

    Korrektur, das war wohl nicht gemeint, sondern: wenn ein Schwarzes Loch geladen ist und mit einem anderen Objekt einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreist, muss es auch Radiowellen abstrahlen. Ist dann aber so ähnlich wie bei den gleichfalls in diesem Fall abgestrahlten Gravitationswellen. Siehe Zitat in Niels’ Kommentar.

  7. #7 Till
    22. November 2013

    @Florian: Danke, mit Deinem Hinweis habe ich, glaube ich, die betreffende Diskussion gefunden: Dort stellt Mithos eine ganz ähnliche Frage, Alderamin argumentiert, dass das Magnetfeld hauptsächlich von dem Plasma der Akktretionsscheibe herrührt und Martin B. steuert einen Verweis auf zwei Bücher bei, die erklären, wie das Magnetfeld eines schwarzen Loches selbst funktioniert. Ich schätze, ich werde in den beiden Büchern mal nachschlagen ;).

  8. #8 Till
    22. November 2013

    Die Links in meinem vorigen Post scheinen nicht zu funktionieren. Ich meinte die Kommentare 2, 6 und 17 zu folgendem Artikel:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/11/03/das-schwarze-loch-im-zentrum-der-milchstrasse-frisst-asteroiden/

  9. #9 Till
    22. November 2013

    Ich habe wohl zu lange an meinem Kommentar recherchiert 😉

    @Alderamin Danke für die vielen Hinweise ;-).

    weiß ich nicht genau, worauf sich Tills Frage bezieht

    Meine Frage bezieht sich auf die Aussage, dass die Teilchen in den Jets der Quasare durch das Magnetfeld des schwarzen Loches beschleunigt werden. Das hat mich verwirrt. Es ergibt aber natürlich sehr viel Sinn, dass die Akkretionsscheibe selbst ein Magnetfeld hat und dass dieses die Jets beschleunigt. Ich wollte da aber auf keinen Fall haarspalterisch werden. Ich bin einfach nicht auf die Akkretionsscheibe gekommen.

    Es würde mich aber trotzdem interessieren, ob auch das Loch selbst prinzipiell ein Magnetfeld haben kann und wie das mit der Quantenfeldtheorie zusammen passt. Meine Recherche (vor allem in den Kommentaren und entsprechenden Links von oben zitiertem Artikel) hat mich bisher schon zu der Kerr-Newman-Lösung geführt, die besagt, dass ein schwarzes Loch prinzipiell Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung haben kann, also theoretisch die Bedingungen für ein klassisches Magnetfeld erfüllen kann. Ich werde wohl wirklich mal in die Bücher die Martin vorgeschlagen hat reinschauen.

  10. #10 Till
    22. November 2013

    Ich möchte nur noch einmal kurz auf den kommentar #34 von Andreas Müller im oben von mir erwähnten Artikel (Das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße frisst Asteroiden!) hinweisen, den hatte ich oben nicht verlinkt und der hat mir auch sehr geholfen.

  11. #11 Alderamin
    22. November 2013

    @Till

    Oh, der Kommentar von Andreas Müller ist mir damals anscheinend durchgegangen, weil er erst spät freigeschaltet wurde. Der ist Experte und hat ein Online Astronomie-Lexikon geschrieben. Da findest Du sicher noch mehr Info.

  12. #12 Till
    22. November 2013

    Ich gebe mich bezüglich meiner Frage über prinzipiell mögliche elektromagnetische Felder eines schwarzen Loches (nicht der Akkretionsscheibe) jetzt mit folgender Erklärung zufrieden: Ein statisches elektromagnetisches Feld verhält sich prinzipiell genauso wie die Gravitation des schwarzen Loches: Es überträgt keine Information (da es sich nicht ändert) und reicht so problemlos über den Ereignishorizont hinaus. Sämtliche für einen externen Beobachter sichtbaren Änderungen des Feldes finden außerhalb des Schwarzschildradius statt. Damit haben auch sämtliche vom Schwarzen Loch ausgesendete Photonen (oder Gravitonen) ihren Ursprung ausserhalb des Schwarzschildradius und können das Loch folglich problemlos verlassen – Problem gelöst, jetzt kann ich beruhigt schlafen gehen 😉

    @Florian @Alderamin: Danke nochmal für Eure Hilfe.

  13. #13 Niels
    22. November 2013

    @Alderamin @Till

    Es würde mich aber trotzdem interessieren, ob auch das Loch selbst prinzipiell ein Magnetfeld haben kann und wie das mit der Quantenfeldtheorie zusammen passt. Meine Recherche (vor allem in den Kommentaren und entsprechenden Links von oben zitiertem Artikel) hat mich bisher schon zu der Kerr-Newman-Lösung geführt, die besagt, dass ein schwarzes Loch prinzipiell Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung haben kann, also theoretisch die Bedingungen für ein klassisches Magnetfeld erfüllen kann.

    Kerr-Newman-Lösung ist genau richtig. Das ist die allgemeine Lösung für ein schwarzes Loch, nämlich eines mit Masse, Drehimpuls und elektrischer Ladung jeweils ungleich Null.
    Setzt man in diese Lösung für Ladung den Wert Null ein, bekommt man die Kerr-Lösung.
    Setzt man den Drehimpuls Null, ergibt sich die Reissner-Nordström-Lösung.
    Setzt man beides Null, erhält man die gute alte Schwarzschild-Lösung.

    Echte Kerr-Newman-Löcher haben selbstverständlich ein Magnetfeld, einfach weil sie elektrisch geladen sind und sie einen Drehimpuls besitzen.

    Das kann man sich hemdsärmelig so veranschaulichen:
    Schwarze Löcher mit Drehimpuls besitzen im Zentrum keine Punktsingularität sondern eine sogenannte “Ring”singularität.
    (Diese Raumzeiten mit Drehimpuls sind achsensymmetrisch und nicht mehr kugelsymmetrisch wie die drehimpulsfreien Lösungen. Deswegen ein “Ring” und kein “Punkt”.)
    So eine Ringsingularität kann man sich als singulären Massenstrom vorstellen, der in einem unendlich dünnen Ring fließt. Das verursacht den Drehimpuls.
    Ist das Loch auch noch geladen, fließt eben auch noch ein Strom entlang dieses Rings, wodurch ein Magnetfeld entsteht.

    Wie und ob das mit der Quantenfeldtheorie zusammenpasst weiß niemand. 😉
    In einer echten Quantentheorie der Gravitation dürfen jedenfalls eigentlich keine Singularitäten mehr auftauchen.

    Man geht allgemein davon aus, dass real existierende Schwarze Löcher ungeladen sind oder nur eine verschwindend geringe Ladung besitzen. Dann haben sie natürlich auch praktisch kein Magnetfeld. Es sind schlicht keine stark geladenen Materieansammlungen bekannt, die einem Loch eine Ladung verleihen könnten.

    Deswegen geht es in der Astronomie immer um das Magnetfeld der Akkretionsscheibe, nie um das des Loches.

  14. #14 Niels
    22. November 2013

    @Till

    Ein statisches elektromagnetisches Feld verhält sich prinzipiell genauso wie die Gravitation des schwarzen Loches: Es überträgt keine Information (da es sich nicht ändert) und reicht so problemlos über den Ereignishorizont hinaus.

    Na ja, das gilt nur, wenn der Drehimpuls Null ist. Selbst dann trägt das Feld Information über die Ladung des schwarzen Loches.
    Ist der Drehimpuls ungleich Null, sind die Felder natürlich auch nicht mehr statisch. Sie tragen dann zusätzlich auch noch Information über den Drehimpuls des Lochs.

  15. #15 Niels
    22. November 2013

    @Till
    Nachtrag:
    Zu schnell getippt und zu wenig gedacht:
    Die Felder sind natürlich trotzdem statisch. Das magnetische Feld trägt die Information über den Drehimpuls.

  16. #16 Till
    23. November 2013

    @Niels: Aus der stärke der Felder könnte man die Ladung und den Drehimpuls berechnen. Die Felder geben uns also Informationen über das schwarze Loch. Da die Felder statisch sind, übertragen sie aber keine Information und können somit soweit ich das verstanden habe den Schwarzschildradius durchqueren.

  17. #17 Alderamin
    23. November 2013

    @Niels

    Man geht allgemein davon aus, dass real existierende Schwarze Löcher ungeladen sind oder nur eine verschwindend geringe Ladung besitzen. Dann haben sie natürlich auch praktisch kein Magnetfeld. Es sind schlicht keine stark geladenen Materieansammlungen bekannt, die einem Loch eine Ladung verleihen könnten.

    Nach ein wenig Drüber-Nachdenken kommen mir daran Zweifel.

    Dass Schwarze Löcher keine Ladung haben, ist natürlich zu erwarten. Wenn sie aber tatsächlich ein Magnetfeld haben können, dann sollten sie das auch tun. Alle Sterne haben Magnetfelder. Wenn sie zu Neutronensternen kollabieren, werden diese zu ungeheuren Stärken komprimiert, was zum Pulsareffekt und zu den extremen Magnetaren führt. Wenn der Kollaps zu einem Schwarzen Loch führt, verschwindet das Magnetfeld dann etwa einfach? Oder bleibt es im Ereignishorizont eingefroren?

  18. #18 Alderamin
    24. November 2013

    @myself

    verschwindet das Magnetfeld dann etwa einfach?

    Nach ein wenig Recherche:

    Es wird abgekoppelt und abgestrahlt.

  19. #19 Niels
    24. November 2013

    @Till

    Da die Felder statisch sind, übertragen sie aber keine Information und können somit soweit ich das verstanden habe den Schwarzschildradius durchqueren.

    Wenn der Drehimpuls ungleich Null ist, ist die Raumzeit aber nicht mehr statisch. Sie rotiert mit dem Schwarze Loch und “zieht” dabei Materie, elektromagnetische Felder, Licht und alles andere mit sich (frame dragging).
    Daher auch meine kurzzeitige Verwirrung. Die elektromagnetischen Felder sind in dieser rotierenden Raumzeit statisch, ein weit entfernter Beobachter (der berühmte Beobachter im Unendlichen) sieht aber veränderliche Felder.

    Ich habe einfach ein bisschen Probleme mit der Aussage, dass keine Information übertragen wird. Energie kann nämlich problemlos übertragen werden. Wie wäre das ohne “Informationsübertragung” denkbar?
    Ein ziemlich bekannter Prozess, um rotierenden schwarzen Löchern Rotationsenergie zu entnehmen, ist der Penrose-Prozess. Ein anderer Effekt, der sogenannte Blandford-Znajek-Prozess ist wahrscheinlich die Hauptenergiequelle für Quasare.
    http://everything2.com/title/Blandford%2520Znajek%2520process

    Davon abgesehen:
    Wenn zwei schwarze Löcher mit Ladung und Drehimpuls verschmelzen, entsteht ein neues schwarzes Loch mit völlig anderem magnetischen und elektrischen Feld.
    Wie erklärst du das?

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