Dazu müsste man nicht nur wissen, wo sich das Gas befindet, sondern auch wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt. Das können die derzeitigen Röntgenteleskope kaum und da man Röntgenastronomie nur vom Weltall aus betreiben kann (die Erdatmosphäre filtert diese Art der Strahlung aus), ist es auch nicht so einfach, neue Instrumente zum Einsatz zu bringen. In den nächsten Jahren soll das Astro-H-Teleskop ins All geschickt werden, mit dem solche Beobachtungen möglich wären. Aber das dauert eben noch und Zhuravleva und ihre Kollegen haben sich daher eine andere Methode ausgedacht. Die Details sind kompliziert (“Turbulent Heating in Galaxy Clusters Brightest in X-rays”), aber im wesentlichen läuft es das man aus der Energie, die im Gas steckt auf seine Bewegung schließen kann (Hier erklärt Zhuravleva die Methode ein klein wenig ausführlicher). Wenn man das ICM in den Galaxienhaufen beobachtet und mit Computermodellen der “normalen” Gasverteilung die zusätzlichen Fluktuationen sichtbar macht, dann erhält man solche Bilder:

Besonders beim linken Perseus-Cluster kann man schön die “wirbelnde” Bewegung des Gases erahnen, die deutlich darauf hinweist, dass hier Turbulenzen im Spiel sind. Turbulente Strömungen findet man in der Natur überall: Wenn wir Milch in den Kaffee geben und umrühren; wenn wir das Flackern einer Kerze betrachten oder den Rauch, der aus einem Schornstein strömt. Turbulenz ist überall und Turbulenz ist immer auch ein Zeichen für Chaos. In den Galaxienhaufen entsteht die Turbulenz durch die Wechselwirkung zwischen dem ICM und den supermassereichen schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien. Material, dass sich in der Nähe dieser schwarzen Löcher befindet kann durch deren Gravitationskraft enorm stark beschleunigt werden. Wenn es dann um das Loch herumwirbelt, wird ein Teil davon in großen “Jets” ins All hinaus geschleudert, ein bisschen so wie das Licht eines Leuchtturms. Diese energiereichen Teilchenströme erzeugen große “Löcher” im umliegenden Intracluster-Medium und wenn sich das restliche Gas dann um diese Löcher herum bewegt, entsteht die chaotische, turbulente Bewegung. Das Gas wird dadurch daran gehindert abzukühlen und im Zentrum des Galaxienhaufens zur Ruhe zu kommen und kann keine neuen Sterne erzeugen.

Wie gesagt: Es handelt sich nicht um direkte Beobachtung der Gasbewegung, sondern um eine indirekte Ableitung, für die man jede Menge Annahmen machen und Computermodelle verwenden musste. Genau wird man das Phänomen erst untersuchen können, wenn man bessere Teleskope zur Verfügung hat. Aber es scheint schon jetzt klar zu sein, dass auch auf diesen großen Skalen das Chaos eine wichtige Rolle spielt. Die riesigen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien transferieren Energie in das Intracluster-Medium und die dadurch entstehenden chaotische Turbulenz verhindert die Sternentstehung.

Ich könnte den Artikel jetzt damit beenden, dass ich eine Parallele zwischen dem Chaos ziehe, das den Galaxienhaufen das Leben schwer macht und dem Chaos, das uns Menschen immer wieder behindert. Aber dann würde ich genau den gleichen Fehler machen, den ich anfangs kritisiert habe und das mathematische Chaos der Wissenschaft mit dem Alltagschaos gleichsetzen. Also mache ich das nicht und beschränke mich darauf, begeistert zu sein, dass wir in der Lage sind, Beobachtungen dieser Größenordnung anzustellen. Dass, was Zhuravleva und ihre Kollegen beobachtet und analysiert haben, war nicht das flackernde Licht einer kleinen Kerze sondern die chaotische Interaktion von Billionen Sternen in 240 Millionen Lichtjahren Entfernung!

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Kommentare (19)

  1. #1 ulfi
    29. Oktober 2014

    “Die riesigen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien transferieren Energie in das Intracluster-Medium und die dadurch entstehenden chaotische Turbulenz verhindert die Sternentstehung.”

    Aber woher kommt diese Energie? welche Energie wird transferiert?

  2. #2 good vibration
    29. Oktober 2014

    einfach Danke!
    als interssierter Laie erfahre ich hier interessante Dinge, die ich ahnungsweise (leider nicht mathematisch) durch die gute Darbringung verstehen kann. (was ich schon wieder nicht verstehe: wie kann ein derart dünnes Gas derart hohe Temperaturen haben und noch dazu meßbare Röntgen-Strahlung erzeugen … spannend!)

  3. #3 Florian Freistetter
    29. Oktober 2014

    @ulfi: “Aber woher kommt diese Energie? welche Energie wird transferiert?”

    Die ist die Energie des Gravitationsfelds des Galaxienhaufens.

  4. #4 Florian Freistetter
    29. Oktober 2014

    @good vibration: “(was ich schon wieder nicht verstehe: wie kann ein derart dünnes Gas derart hohe Temperaturen haben”

    “Temperatur” heißt hier nicht das, was es im Alltagsgebrauch heißt. “Temperatur” ist ja im Prinzip nur ein Maß für die Bewegung der Atome. Je schneller, desto heißer. Jetzt kann man in so ein dünnes Gas natürlich kein Thermometer stecken. Aber man kann trotzdem messen, wie schnell sich die Teilchen bewegen und daraus eine Temperatur ableiten.

  5. #5 good vibration
    29. Oktober 2014

    Danke!, ist jedenfalls Anregung, mich mit der Physik der Gase (wieder) zu beschäftigen …

  6. #6 ulfi
    29. Oktober 2014

    “Die ist die Energie des Gravitationsfelds des Galaxienhaufens.”

    Okay, wie kann ich mir das vorstellen? Was passiert mit dem Galaxienhaufen, wenn auf diesem Prozess immer mehr Energie als Röntgenstrahlung ins All gesendet wird? Rücken die Galaxinhaufen immer mehr zusammen? entfernen sie sich voneinander?

    Mir ist klar, dass es sich wahrscheinlich um irrelevante Energiemngen handeln wird, die sich da verflüchtigen, aber für mich als Laien klingt “Energie aus dem Gravitationsfeld” nicht wirklich einleuchtender als “Energie aus dem Vakuum”, nur das ich weiß, dass das eine Physik und das andere Esokram ist 🙂

  7. #7 Alderamin
    29. Oktober 2014

    @ulfi

    Aus dem Paper:

    X-ray observations show that the ICM in central regions of these clusters is disturbed, suggesting that it might
    be turbulent. The most likely drivers of this turbulence are mechanically powerful active galactic nuclei (AGN) in the central galaxies of both clusters, which inflate bubbles of relativistic plasma in the ICM. During the inflation and subsequent buoyant rise of these bubbles, internal waves and turbulent motions in the gas can be excited.

    Oder auf Deutsch: im Zentrum der aktiven Galaxien werden Blasen aus Plasma auf hohe Temperaturen (relativistische Teilchengeschwindigkeiten) erhitzt, die dann einen Auftrieb im umgebenden Gas erfahren (wie ein Heißluftballon; das ist dann der “Gravitationsantrieb”), und dabei verusachen sie im umgebenden Gas Turbulenzen, die es aufheizen.

  8. #8 Florian Freistetter
    29. Oktober 2014

    @ulfi: “Rücken die Galaxinhaufen immer mehr zusammen? entfernen sie sich voneinander?”

    Eine Galaxie besteht aus hunderten Milliarden Sternen. Das ICM aus ein paar Atomen alle paar Kubikmeter. Da tut sich nicht viel.

    “aber für mich als Laien klingt “Energie aus dem Gravitationsfeld” nicht wirklich einleuchtender als “Energie aus dem Vakuum””

    Nimm einen Stein. Lass ihn auf deinen Fuß fallen. Der Schmerz den du dann spürst stammt u.a. von der Energie aus dem Gravitationsfeld der Erde, die es dem Stein ermöglicht hat, runter zu fallen und dabei schneller zu werden (und auch ein wenig “heißer”). Genauso ermöglicht es die Gravitationskraft des schwarzen Lochs es der Materie, mit hoher Geschwindigkeit in den intergalaktischen Raum geworfen zu werden um dort das Gas aufzuheizen.

  9. #9 Till
    29. Oktober 2014

    Könnte nicht auch die Ausdehnung des Raumes eine Rolle spielen?
    Weit entfernt von den Galaxien ist die Beschleunigung eines kleinen Gasteilchens durch die Gravitation ja vermutlich geringer als die scheinbare Beschleunigung durch den sich ausdehnenden Raum. So könnte der sich ausdehnende Raum verhindern, dass die Gasteilchen zurück in die Galaxien fallen…

  10. #10 Alderamin
    29. Oktober 2014

    @ulfi, Florian

    Genauso ermöglicht es die Gravitationskraft des schwarzen Lochs es der Materie, mit hoher Geschwindigkeit in den intergalaktischen Raum geworfen zu werden um dort das Gas aufzuheizen.

    Das ist der Heizmechanismus für das Plasma um die Schwarzen Löcher in den Kernen der aktiven Galaxien. Die Gravitation des Schwarzen Lochs erzeugt wirbelnde Akkretionsscheiben aus Plasma, dieses erzeugt Magnetfelder, die einen großen Teil des Gases aus der Akkretionsscheibe als relativistische Jets nach außen beschleunigen. Da ist die Gravitation des Schwarzen Lochs im Spiel.

    Beim Aufsteigen des Gases durch den Auftrieb im ICM ist die Gravitation der Galaxie im Spiel, die schwereres, kühleres Gas nach unten zieht, so dass das heiße Gas aufsteigen und die Turbulenzen im ICM verursachen kann.

  11. #11 Alderamin
    29. Oktober 2014

    @Till

    Nö, erstens wirkt die kosmologische Expansion nicht auf so kurze Entfernungen wie in der unmittelbaren Umgebung von Galaxien (was das Gas aufgeheizt wird) und zweitens wird ein Teilchen, dass durch die Expansion fortgetrieben wird, deswegen nicht “heiß”, denn es ist bezogen auf seine lokale Umgebung in Ruhe. Zur Abstrahlung von Röntgenstrahlung müssen die Teilchen sich ja untereinander mit hohen Geschwindigkeiten begegnen, nur dann können sie Röntgenphotonen ausstrahlen.

  12. #12 Florian Freistetter
    29. Oktober 2014

    @Alderamin: “Da ist die Gravitation des Schwarzen Lochs im Spiel. “

    Die hätte ich jetzt der einfachen Erklärbarkeit halber bei der Gravitation der Galaxie inkludiert. Das schwarze Loch ist ja Teil der Galaxie.

  13. #13 Alderamin
    29. Oktober 2014

    @Florian

    Aber die Gravitation der restlichen Galaxie wirkt ja nicht auf den Heizmechanismus, der lokal in der Akkretionsscheibe stattfindet. Der Beitrag der Gravitation des Schwarzen Lochs zum “boyant rise of the bubbles” (siehe Zitat aus dem Paper in #7) ist wiederum vernachlässigbar gegen den der gesamten Galaxie.

    Ich wollte ulfie einfach darauf hinweisen, dass ich einen anderen gravitativen Mechanismus beschrieben habe, als Du, wobei beide wirksam sind, nur an verschiedenen Stellen. Deiner bei der Erhitzung des Plasmas auf relativistische Temperaturen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs und meiner auf die Erhitzung des ICM durch die aufsteigende Plasma-Blasen außen um die Galaxie herum (ulfies Frage hatte ich eher auf den letzteren Punkt bezogen).

    Oder habe ich Dich da missverstanden?

  14. #14 Florence
    29. Oktober 2014

    Ich hab irgendwie Schwierigkeiten mit der extrem geringen Dichte. Freie Weglänge ein Lichtjahr ist ja schon eine Hausnummer. Ist das Gas denn überhaupt im Gleichgewicht? Nur so macht es ja Sinn, überhaupt eine Temperatur anzugeben.
    Kann mir jemand den Mechanismus der Strahlungsemission erklären? So im Einzelteilchenbild steh ich irgendwie auf dem Schlauch.

  15. #15 Wasserhund
    Chemnitz
    29. Oktober 2014

    Vielen Dank für den Artikel, der beantwortet direkt meine Frage (#59) auf der Fragenseite. Hätte nicht gedacht, dass so ein kniffliger Mechanismus dahinter steckten könnte.

  16. #16 Florian Freistetter
    29. Oktober 2014

    @Alderamin: “Oder habe ich Dich da missverstanden?”

    Nein – aber ich wollte nur mit meinem Beispiel möglichst nah an der Analogie mit dem Stein bleiben. Es ging dabei ja auch nicht speziell um das paper sondern die Frage, wie man Energie aus nem Gravitationsfeld kriegt.

  17. #17 ulfi
    30. Oktober 2014

    @Alderamin danke dir!

    @Florian wir reden aninander vorbei.
    “Eine Galaxie besteht aus hunderten Milliarden Sternen. Das ICM aus ein paar Atomen alle paar Kubikmeter. Da tut sich nicht viel.”
    Das hab ich ja selbst geschrieben. Hier ging es wirklich um die Frage, woher diese Energie kommt. Also purer Wissensdurst.

    “Nimm einen Stein. Lass ihn auf deinen Fuß fallen. Der Schmerz den du dann spürst stammt u.a. von der Energie aus dem Gravitationsfeld der Erde”

    Du interpretierst meine Frage falsch: ich frage, welcher Stein wo auf welchen Fuß fällt, damit sich das Plasma aufheizt. Der Verweis auf das “Gravitationsfeld” ersetzt ein Abstraktum durch ein anderes, erklärt selber aber nichts(daher die Analogie mit der “Vakuumenergie”).

    So wie ich das verstanden hab, beschriebt dein Mechanismus WIE das Plasma aufgeheizt wird (auch wenn ich absolut keine Ahnung habe, was das genau heißen soll, wird da materie zerstrahlt sodass die Masse für die Gravitation fehlt? oder gehts nur darum, dass nun einfach materie näher am schwarzen Loch ist?). Alderamin hat dann noch das groß Bild nah gbracht, was sich dann auch mit meinem Verständnis gedeckt hat 🙂

  18. #18 Alderamin
    30. Oktober 2014

    @ulfie

    (auch wenn ich absolut keine Ahnung habe, was das genau heißen soll, wird da materie zerstrahlt sodass die Masse für die Gravitation fehlt? oder gehts nur darum, dass nun einfach materie näher am schwarzen Loch ist?)

    Der Heizmechanismus in der Akkretionsscheibe um ein Supermassives Schwarzes Loch ist so ziemlich die effizienteste Energiequelle, die wir kennen – bei Quasaren leuchten diese heller als die gesamte restliche Galaxie, und das nicht nur für ein paar Wochen, wie bei einer Supernova, sondern für Millionen Jahre.

    Soweit ich das verstanden habe führen die extremen Gezeitenkräfte (d.h. Variation der Gravitation über den Abstand) zu starker Reibung innerhalb der Akkretionsscheibe, die inneren Teilchen müssen schneller als die äußeren um das SL kreisen, d.h. die Teilchen prallen aufeinander, was sie auf Millionen Grad erhitzt. Die Elektronen werden aus den Atomen gerissen und es bewegen sich somit freie Ladungsträger in der Akkretionsscheibe, ein Plasma. Bewegte Ladung erzeugt bekanntlich Magnetfelder und über einen Mechanismus, der noch nicht hundertprozentig verstanden ist, wird ein (nicht einmal geringer) Teil des Materials aus der Akkretionsscheibe (mehr als in das Schwarze Loch fällt) durch diese Magnetfelder in zwei Strahlen fokussiert, die die Akkretionsscheibe entlang der Drehachse in entgegengesetzte Richtungen verlassen, und dabei werden die Teilchen wie in einem Teilchenbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt (was einer Erhitzung gleich kommt).

    So sorgt die Gravitation des Schwarzen Lochs für die Erhitzung des Plasmas. Das Plasma prallt dann irgendwann in das umgebende Gas und die gerichtete Bewegung wird turbulent. Ich denke, auf diese Weise werden daraus die im Paper genannten Plasmablasen, die dann im Medium zwischen den Galaxien Auftrieb erfahren, weil sie heißer und damit weniger dicht sind.

  19. #19 ulfi
    31. Oktober 2014

    cool!

    Und tolle Erklärung. Danke dir!

    Mit jedem Tag wird das Universum spannender!