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.
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.
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.
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 von Materie auf ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum einer aktiven Galaxie.
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.
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.
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 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 zu den stärksten kontinuierlichen Quellen im beobachtbaren Universum.
Quasare befinden sich in beträchtlichen kosmologischen Entfernungen, die manchmal über 13 Milliarden Lichtjahre hinausgehen. Ihr Spektrum weist eine starke Rotverschiebung (\(z >7\) für die entferntesten bekannten) auf, was darauf hinweist, dass die Emission stattfand, als das Universum nur 5 bis 10 % seines heutigen Alters hatte.
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.
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.
| 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) |
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-Radioteleskopnetzwerk beobachtet werden, stellen eine wichtige Signatur von Aktiven Galaxienkernen (AGN) dar.
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.
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 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).
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.
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 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?
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.
| 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 |
Schmidt, M. (1963). 3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift. Nature, 197, 1040. doi:10.1038/1971040a0
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
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
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
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
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
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
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
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
NASA ADS Astrophysics Data System
Europäische Südsternwarte (ESO).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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