Quasare: Die Leuchttürme des fernen Kosmos

Quasar 3C 273, aufgenommen von der WFPC2-Kamera des Hubble-Teleskops — Dieses Bild des **Quasars 3C 273**, aufgenommen von der WFPC2-Kamera des **Hubble-Weltraumteleskops**, ist eines der besten verfügbaren. Er befindet sich in einer riesigen elliptischen Galaxie im Sternbild Jungfrau, und sein Licht reiste etwa 2,2 Milliarden Jahre, bevor es uns erreichte. Erster identifizierter Quasar im Jahr 1963 durch Maarten Schmidt, ist er immer noch einer der nächsten und hellsten bekannten. Die unscharfen Flecken auf dem Bild sind Galaxien.
Bildquelle: ESA/Hubble und NASA (neues Fenster).

Wissenschaftliche Zusammenfassung

Quasare sind die extrem leuchtkräftigen Kerne ferner Galaxien, die durch die Akkretion von Materie auf ein supermassives Schwarzes Loch angetrieben werden. Ihre typische Leuchtkraft erreicht 10³⁹ bis 10⁴¹ Watt (bis zu etwa 10¹⁴ mal die der Sonne für die extremsten Quasare), die aus der Umwandlung von Gravitationsenergie in Strahlung stammt, beschrieben durch E=ηmc² (wobei η der Umwandlungswirkungsgrad ist, der je nach Rotation des Schwarzen Lochs zwischen etwa 0,06 und 0,4 liegt). Beobachtet bei hohen Rotverschiebungen (z>7), sind einige Quasare, darunter der aktuelle Rekordhalter für die Entfernung, der 2026 vom Euclid-Weltraumteleskop entdeckt wurde, einzigartige Sonden zur Untersuchung des primordialen Universums und der kosmischen Reionisation. Sie stellen eine Übergangsphase in der Entwicklung von Galaxien dar, die mit der Koevolution mit ihrem zentralen Schwarzen Loch verbunden ist.

Was ist ein Quasar und wie ist er ein kosmischer Leuchtturm zum Verständnis der ersten Zeitalter des Universums?

Ein Quasar ist weder ein Stern noch eine Galaxie, sondern das Phänomen extremer Aktivität des Kerns einer Galaxie. Sein Motor ist ein supermassives Schwarzes Loch (Millionen bis zu mehreren zehn Milliarden Sonnenmassen), das die umgebende Materie verschlingt. Dieser Akkretionsprozess erzeugt eine glühende Gasscheibe und Teilchenjets, die eine phänomenale Energie freisetzen, bis zu 10⁴¹ Watt für die hellsten Quasare, und damit das kombinierte Licht von Zehntausenden von Galaxien übertreffen. Der Artikel erklärt, dass diese Objekte, die in Entfernungen von über 12 Milliarden Lichtjahren beobachtet werden, als zeitliche Leuchtfeuer wirken. Ihr Licht, das emittiert wurde, als das Universum nur einen Bruchteil seines heutigen Alters hatte, ermöglicht es Wissenschaftlern, ferne Epochen wie die der kosmischen Reionisation zu erforschen, als das Universum von einem neutralen in einen ionisierten Zustand überging. Durch die Untersuchung ihres Spektrums und ihrer Rotverschiebung können wir die Geschichte der Bildung kosmischer Strukturen nachzeichnen.

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Entdeckung und Leistung der Quasare

Quasare (Kurzform für "quasi-stellar radio source") gehören zu den leuchtkräftigsten und energiereichsten Objekten des bekannten Universums. Entdeckt wurden sie 1963 von Maarten Schmidt (1929-2022), der die extreme Rotverschiebung des Quasars 3C 273 identifizierte. Sie emittieren Strahlung, die mit dem Licht von Zehntausenden ganzer Galaxien konkurrieren kann. Ihre Leistung resultiert aus der Akkretion (akkretion: Prozess der Anziehung von Materie durch ein massereiches Objekt unter dem Einfluss der Schwerkraft) von Materie auf ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum einer aktiven Galaxie.

Physikalische Natur eines Quasars

Ein Quasar ist weder ein einfaches Schwarzes Loch noch eine Galaxie. Es handelt sich um einen Aktivitätszustand des galaktischen Kerns und nicht um eine Art isoliertes Objekt. Der Quasar bezeichnet das Phänomen der extremen Aktivität, das im Zentrum einiger Galaxien beobachtet wird, und nicht das materielle Objekt selbst.

Physikalische Schlussfolgerung

Das Schwarze Loch ist der Energiemotor, der Quasar ist das von diesem Motor erzeugte beobachtbare Phänomen, und die Wirtsgalaxie ist der gravitative Rahmen, der das gesamte System enthält.

Leuchtkraft und Energie

Die gesamte Leuchtkraft eines Quasars reicht typischerweise von \( 10^{39} \) bis \( 10^{41}\ \mathrm{W} \), also das \(10^{12}\)- bis \(10^{14}\)-fache der Sonne. Der derzeit hellste bekannte Quasar, SDSS J0100+2802 (z = 6,30), erreicht etwa \(3 \times 10^{41}\) W, was dem \(4,3 \times 10^{14}\)-fachen der Sonnenleuchtkraft entspricht – das Äquivalent von 40 000 mal der kombinierten Helligkeit der 400 Milliarden Sterne der Milchstraße. Eine solche Energie kann nur von einem effizienten gravitativen Mechanismus stammen. Die Umwandlung von Masse in Energie folgt der relativistischen Gleichung \(\,E = \eta m c^2\,\), wobei \(\eta\) den Umwandlungswirkungsgrad einer relativistischen Akkretionsscheibe darstellt: etwa 0,06 für ein nicht rotierendes Schwarzschild-Schwarzes Loch und bis zu 0,4 für ein nahezu maximal rotierendes Kerr-Schwarzes Loch.

N.B.:
Eine aktive Galaxie besitzt einen extrem leuchtkräftigen Kern, der durch die Akkretion (akkretion: Gravitative Anziehung von Materie) von Gas auf ein supermassives Schwarzes Loch angetrieben wird. Diese Energie in der Größenordnung von \(10^{39}\) bis \(10^{41}\ \mathrm{W}\), beschrieben durch \(\,E = \eta m c^2\,\), macht AGN (aktive Galaxienkerne) zu den stärksten kontinuierlichen Quellen im beobachtbaren Universum.

Extreme Entfernungen und starke Rotverschiebung

Quasare befinden sich in beträchtlichen kosmologischen Entfernungen, die manchmal über 13 Milliarden Lichtjahre hinausgehen. Ihr Spektrum weist eine starke Rotverschiebung (spektrale Verschiebung zum Roten hin, Indikator für die kosmische Fluchtgeschwindigkeit) (\(z >7\) für die entferntesten bekannten) auf, was darauf hinweist, dass die Emission stattfand, als das Universum nur 5 bis 10 % seines heutigen Alters hatte.

Zeitliche Leuchtfeuer für die Reionisation

Diese Messungen ermöglichen es Astrophysikern, die Epoche der kosmischen Reionisation zu untersuchen, das heißt den Übergang des Universums von einem neutralen in einen ionisierten Zustand. Quasare, die das intergalaktische Medium beleuchten, sind wahre zeitliche Leuchtfeuer der Bildung kosmischer Strukturen.

Rotverschiebung und Entfernungen von Quasaren

Die aktive Lebensdauer eines Quasars (die in der Größenordnung von einigen Millionen bis zu einigen zehn Millionen Jahren liegt) ist unabhängig von der Zeit, die das Licht benötigt, um uns zu erreichen (2,2 Milliarden Jahre für den Quasar 3C 273). Ob der Quasar heute noch aktiv ist oder schon lange erloschen ist, das Licht, das wir empfangen, ist tatsächlich Milliarden von Jahren gereist.

Beispiele für Rotverschiebung und zugehörige Entfernungen von Quasaren
Quasar	Rotverschiebung (z)	Ungefähre Entfernung (Milliarden Lichtjahre)	Kommentar
3C 273	0,158	2,2	Erster identifizierter Quasar (1963), relativ nah, intensiv untersucht
PG 1302-102	0,278	3,5	Kandidat für ein binäres System supermassiver Schwarzer Löcher, periodische optische Variabilität von 5,2 Jahren, Interpretation noch umstritten
Q0957+561 ("Zwillingsquasar")	1,41	8,7	Erstes identifiziertes Gravitationslinsensystem (1979), Bildaufspaltung durch eine dazwischenliegende Galaxie bei z = 0,36
QSO B1422+231	3,62	11,6	Durch Gravitationslinsen vierfach abgebildeter Quasar, verwendet zur Untersuchung der Linsengalaxie
APM 08279+5255	3,91	12,1	Eines der intrinsisch leuchtkräftigsten bekannten Objekte, stark durch Gravitationslinsen verstärkt (Faktor ≈ 100)
SDSS J1044-0125	5,74	12,7	Quasar mit breiten Absorptionslinien (BAL), unter den ersten bekannten Quasaren mit z>5
SDSS J0100+2802	6,30	12,8	Hellster bekannter Quasar bis heute, Schwarzes Loch mit 12 Milliarden Sonnenmassen
ULAS J1120+0641	7,085	12,9	Epoche der kosmischen Reionisation; Entfernungsrekordhalter im Jahr 2011, heute übertroffen (siehe nächstes Kapitel)

Physik der Akkretion und relativistische Jets

Um das zentrale Schwarze Loch herum bildet die Materie eine schnell rotierende Scheibe. Interne Reibungskräfte wandeln die gravitative potenzielle Energie in elektromagnetische Strahlung um.

Intensive Magnetfelder leiten einen Teil der Energie in Form von relativistischen Jets, die Teilchen auf Geschwindigkeiten nahe \(c\), der Lichtgeschwindigkeit, beschleunigen können. Diese Jets, die insbesondere vom VLBA (very Long Baseline Array)-Radioteleskopnetzwerk beobachtet werden, stellen eine wichtige Signatur von Aktiven Galaxienkernen (AGN) dar.

Quasare und galaktische Entwicklung

Eine Übergangsphase der galaktischen Entwicklung

Beobachtungen deuten darauf hin, dass die meisten massereichen Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum beherbergen. Quasare würden eine Übergangsphase dieser galaktischen Entwicklung darstellen: Wenn ein Zustrom von Gas eine schnelle Akkretion auslöst, wird der Kern blendend hell. Sobald das Materiereservoir erschöpft ist, stabilisiert sich die Galaxie und der Quasar erlischt.

Koevolution Schwarzes Loch – galaktische Ausbuchtung

Die beobachtete Korrelation zwischen der Masse des Schwarzen Lochs (\(M_{\mathrm{BH}}\)) und der der galaktischen Ausbuchtung (\(M_{\mathrm{bulge}}\)) deutet auf eine Koevolution hin, die durch energetische Rückkopplungsprozesse gesteuert wird. Empirische Beziehungen, die aus Stichproben naher Galaxien abgeleitet wurden, ergeben eine Steigung von etwa: \( M_{\mathrm{BH}} \propto M_{\mathrm{bulge}}^{1.1} \) (Kormendy & Ho, 2013), mit jedoch einer signifikanten intrinsischen Streuung je nach Typ der Wirtsgalaxie.

Der Entfernungsrekord im Jahr 2026: die ältesten jemals beobachteten Quasare

Eine Rekordserie seit den 2010er Jahren

Der Entfernungsrekord für Quasare wurde seit den 2010er Jahren mehrmals gebrochen, als große Durchmusterungen immer höhere Rotverschiebungen untersuchten: ULAS J1120+0641 (z = 7,085, entdeckt 2011), dann ULAS J1342+0928 (z = 7,54, entdeckt 2017), und dann J0313-1806 (z = 7,642, entdeckt 2021).

Die Entdeckung von Euclid im Juli 2026

Am 6. Juli 2026 ermöglichte das Euclid-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) die Ankündigung der Entdeckung von 31 neuen Quasaren zwischen z = 6,6 und z = 7,8, darunter die beiden neuen Rekordhalter für die Entfernung: EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7,77) und EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7,69). Ihr Licht wurde nur 670 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesandt, also etwa 5 % des heutigen Alters des Universums. Diese Kampagne, die nur mit einem Bruchteil der für die sechsjährige Mission geplanten Daten durchgeführt wurde, hat die Anzahl der bestätigten Quasare jenseits von z = 7 mehr als verdoppelt und ihren bekannten Gesamtbestand von 9 auf 23 erhöht.

Vorsichtsmaßnahmen bei Messungen

N.B.: Rotverschiebungsmessungen in diesen extremen Entfernungen sind mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, und Entfernungsrekorde wurden in der Vergangenheit bereits mehrmals revidiert, sobald neue spektroskopische Beobachtungen die ursprünglichen Werte verfeinerten.

Die Herausforderung des schnellen Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher

Ein kosmologisches Paradoxon

Die bloße Existenz dieser extrem fernen Quasare stellt ein großes physikalisches Problem dar: Wie konnten sich Schwarze Löcher mit mehreren hundert Millionen oder sogar mehreren Milliarden Sonnenmassen (das Schwarze Loch von J0313-1806 hat etwa 1,6 Milliarden Sonnenmassen) in weniger als 700 Millionen Jahren bilden und wachsen?

Die beiden Hauptszenarien

Zwei Hauptfamilien von Hypothesen werden untersucht, um dieses schnelle Wachstum zu erklären: "Samen" von Schwarzen Löchern mittlerer Masse (etwa 100 Sonnenmassen), die aus dem Kollaps der allerersten massereichen Sterne (der sogenannten Population III) hervorgegangen sind und anschließend Materie mit einer Rate nahe oder oberhalb der Eddington-Grenze akkretiert hätten; oder von vornherein massereichere Samen (\(10^4\) bis \(10^5\) Sonnenmassen), die aus dem direkten Kollaps dichter Gaswolken ohne Zwischenstufe eines Sterns resultieren. Es besteht noch kein Konsens über den dominierenden Mechanismus, und zukünftige Daten von Euclid und dem James-Webb-Weltraumteleskop sollten es ermöglichen, diese Modelle zu verfeinern.

Vergleichstabelle: Quasare und andere aktive Kerne

Vergleich der wichtigsten Arten aktiver Galaxienkerne
Objekttyp	Typische Leuchtkraft (W)	Beobachtete Entfernung	Dominierendes Merkmal
Quasar	10³⁹ bis 10⁴¹	>1 Milliarde Lj	Sehr leuchtkräftig im gesamten Spektrum, hohe Rotverschiebung, starke relativistische Jets, Zeugen der frühen Phasen der Galaxienbildung
Blazar	10³⁸ bis 10⁴⁰	Bis zu 5 Milliarden Lj	Relativistischer Jet zur Erde gerichtet, schnelle Variabilität, intensive Gamma- und Röntgenstrahlung
Seyfert-Galaxie	10³⁶ bis 10³⁸	<200 Millionen Lj	Ausgeprägte optische und UV-Emissionslinien, mäßig aktiver Kern, sichtbare Wirtssterne
Radiogalaxie	10³⁷ bis 10⁴⁰	Mehrere hundert Millionen bis mehrere Milliarden Lj	Dominante Radioemission, ausgedehnte Lappen über mehrere hundert kpc, relativistische Jets, oft verdeckter Kern
LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Region)	10³⁵ bis 10³⁷	Oft <100 Millionen Lj	Niedrige Ionisation, mäßige nukleare Emission, oft in elliptischen oder ausgereiften Spiralgalaxien
Verdeckter AGN / Typ 2	10³⁶ bis 10³⁹	Variiert je nach Galaxie	Zentrale Strahlung durch einen Staubtorus blockiert, verborgener Kern, Emission hauptsächlich im IR und Röntgenbereich beobachtet

Referenzen

Schmidt, M. (1963). 3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift. Nature, 197, 1040. doi:10.1038/1971040a0 (neues Fenster)
Walsh, D., Carswell, R.F. & Weymann, R.J. (1979). 0957+561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens?. Nature, 279, 381–384. doi:10.1038/279381a0 (neues Fenster)
Graham, M.J., Djorgovski, S.G., Stern, D. et al. (2015). A possible close supermassive black-hole binary in a quasar with optical periodicity. Nature, 518, 74–76. doi:10.1038/nature14143 (neues Fenster)
Wu, X.-B., Wang, F., Fan, X. et al. (2015). An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30. Nature, 518, 512–515. doi:10.1038/nature14241 (neues Fenster)
Mortlock, D.J., Warren, S.J., Venemans, B.P. et al. (2011). A luminous quasar at a redshift of z = 7.085. Nature, 474, 616–619. doi:10.1038/nature10159 (neues Fenster)
Bañados, E., Venemans, B.P., Mazzucchelli, C. et al. (2018). An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5. Nature, 553, 473–476. doi:10.1038/nature25180 (neues Fenster)
Wang, F., Yang, J., Fan, X. et al. (2021). A Luminous Quasar at Redshift 7.642. The Astrophysical Journal Letters, 907, L1. doi:10.3847/2041-8213/abd8c6 (neues Fenster)
Yang, D. et al. (Euclid Collaboration) (2026). Euclid: Discovery of 31 new quasars at 6.6 < z < 7.8. Astronomy & Astrophysics. doi:10.1051/0004-6361/202658883 (neues Fenster)
Kormendy, J. & Ho, L.C. (2013). Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653. doi:10.1146/annurev-astro-082708-101811 (neues Fenster)
NASA ADS Astrophysics Data System (neues Fenster)
Europäische Südsternwarte (ESO) (neues Fenster).

FAQ: Alles Wissenswerte über Quasare, diese Leuchttürme des fernen Kosmos

Was ist die Quelle der kolossalen Energie eines Quasars?

Die Energie der Quasare stammt von der Akkretion von Materie auf ein supermassives Schwarzes Loch. Die in Richtung des Schwarzen Lochs fallende Materie bildet eine auf extreme Temperaturen erhitzte Akkretionsscheibe. Die Umwandlung von gravitativer potenzieller Energie in Strahlung ist sehr effizient und folgt der Formel E = ηmc² (mit η, dem Wirkungsgrad, zwischen 0,06 für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch und etwa 0,4 für ein schnell rotierendes), was eine Leuchtkraft erklären kann, die 10¹⁴ mal die der Sonne für die extremsten Quasare wie SDSS J0100+2802 erreicht.

Warum sind Quasare so wichtig für die Erforschung des primordialen Universums?

Ihre extreme Leuchtkraft macht sie in beträchtlichen kosmologischen Entfernungen jenseits von 13 Milliarden Lichtjahren sichtbar. Ihr Licht mit einer starken Rotverschiebung (z>7) stammt aus einer Epoche, in der das Universum sehr jung war (weniger als 5 % seines heutigen Alters für die entferntesten bekannten). Sie werden als Sonden verwendet, um Schlüsselperioden wie die kosmische Reionisation zu untersuchen, indem sie das intergalaktische Medium beleuchten und seine Zusammensetzung und Entwicklung offenbaren.

Was ist der derzeit entfernteste bekannte Quasar?

Seit Juli 2026 sind die beiden entferntesten bekannten Quasare EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7,77) und EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7,69), die vom Euclid-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Ihr Licht wurde etwa 670 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesandt. Sie folgen auf J0313-1806 (z = 7,642, Rekord seit 2021), dem wiederum ULAS J1342+0928 (2017) und ULAS J1120+0641 (2011, erster bekannter Quasar mit z > 7) vorausgingen.

Wie ist die Beziehung zwischen einem Quasar, einem Schwarzen Loch und seiner Wirtsgalaxie?

Die Beziehung ist eine funktionale Hierarchie: Das supermassive Schwarze Loch ist der zentrale Motor; der Quasar ist das beobachtbare Phänomen (die intensive Strahlung), das durch die Aktivität dieses Motors erzeugt wird; und die Wirtsgalaxie ist der gravitative Rahmen, der alles enthält. Quasare stellen eine Übergangsphase im Leben einer Galaxie dar, die bei einem Zustrom von Gas aktiviert wird und erlischt, wenn das Reservoir erschöpft ist.

Wie konnte ein supermassives Schwarzes Loch im jungen Universum so schnell wachsen?

Dies ist eine der großen offenen Fragen der gegenwärtigen Astrophysik. Die entferntesten Quasare beherbergen bereits Schwarze Löcher von mehreren hundert Millionen bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen, als das Universum weniger als 700 Millionen Jahre alt war. Zwei Hauptszenarien werden untersucht: Samen von bescheidener Masse (aus den ersten Sternen), die mit extremer Rate akkretieren, oder von vornherein massereiche Samen, die aus dem direkten Kollaps von Gaswolken resultieren. Keines der beiden Szenarien hat bisher einen Konsens erzielt.

Wie unterscheiden sich Quasare von anderen aktiven Galaxienkernen (AGN)?

Obwohl alle AGN sind, sind Quasare die leuchtkräftigsten (10³⁹ bis 10⁴¹ W) und die entferntesten mit starken relativistischen Jets. Blazare sind Quasare, deren Jet zur Erde zeigt. Seyfert-Galaxien sind weniger leuchtkräftig und näher, mit einem mäßig aktiven Kern. Radiogalaxien emittieren hauptsächlich im Radiobereich, und LINER haben eine schwache nukleare Emission.