Kurzzeitvariabilität Aktiver Galaxienkerne

    A. Witzel, A. Kraus, T.P. Krichbaum, J.A. Zensus (MPIfR, Bonn), A. Quirrenbach (UCSD, San Diego, USA),
    S.J. Qian (BAO, Peking, VR China), D.S. Heeschen (NRAO, Charlottesville, USA)




    Als in den sechziger Jahren Variationen der Radioemission von Aktiven Galaxienkernen (AGK) auf Zeitskalen von Wochen bis Monaten entdeckt wurden, diente dies auch zur Klärung der Frage nach der Natur der physikalischen Ursachen der Strahlung dieser energiereichsten Objekte im uns bekannten Kosmos: Inkohärente Synchrotronstrahlung ist es, die von den Radioteleskopen registriert wird, d.h. Strahlung von fast lichtschnell in Magnetfeldern spiralierenden Elektronen. Seitdem dienten Variabilitätsuntersuchungen als ein wichtiges "Werkzeug" zur Untersuchung von Galaxien und speziell von aktiven Galaxienkernen, da die beobachteten Zeitskalen der Intensitätsvariationen ein Maß für die Größe der strahlenden Region sind: Nach der speziellen Relativitätstheorie kann sich keine Information schneller als das Licht ausbreiten; somit ergibt sich als obere Grenze für die Ausdehnung des strahlenden Objekts das Produkt aus beobachteter Zeitskala (der Strahlungsänderung) und Lichtgeschwindigkeit. Dieses sog. Lichtlaufzeitargument zeigte also, daß die linearen Ausmessungen einer z.B. in zwei Wochen ihre Intensität ändernden Strahlungsquelle nicht größer sein kann als zwei Lichtwochen, d.h. etwa 3.6 × 1014 km (etwa eine Milliarde mal die Entfernung Erde-Mond). Eine Konsequenz dieser Tatsache war, daß kürzere Variabilitäts-Zeitskalen als die beobachteten Wochen und Monate aufgrund energetischer Betrachtungen auszuschliessen zu sein schienen: Eine strahlende Komponente mit einer Ausdehnung von Lichttagen oder darunter resultiert in Kombination mit der gemessenen Intensität in einer derart hohen Energiedichte des Strahlungsfeldes, daß die Intensität instantan durch einen sehr effektiven Kühlprozeß, den sog. inversen Compton-Effekt (die Streuung der Radio-Photonen an den sie emittierenden Elektronen) im Radio-Frequenzbereich dramatisch verringert würde. - Die Abstrahlung würde statt bei Radio-Wellenlängen im Röntgen- oder gar im Gamma-Wellenlängenbereich stattfinden.

    Kurzzeitvariabilität im BL-Lac-Objekt 1749+701. Aus der Arbeit von Heeschen et al. (1987, Astronomical Journal 94, 1493) Bild vergrößern
    Kurzzeitvariabilität im BL-Lac-Objekt 1749+701. Aus der Arbeit von Heeschen et al. (1987, Astronomical Journal 94, 1493)

    Aus diesem Grunde wurde für längere Zeit gar nicht erst nach schnelleren Variationen gesucht, und es dauerte bis zum Jahr 1985, bis Messungen mit dem 100-Meter-Radioteleskop des MPIfR eindeutige Intensitäts-Variationen im Bereich eines Tages ergaben. Es ist als Beispiel die originale Registrierung der Kurzzeitveränderlichkeit der Strahlung des BL-Lacertae-Objekts 1749+701 bei 11cm Wellenlänge im Mai 1985 dargestellt, anhand derer der Effekt der "Intraday Variability" (IDV) erstmals entdeckt wurde. (BL Lacertae-Objekte sind benannt nach dem Prototyp dieser Klasse von AGK, der 1927 - fälschlicherweise zunächst als veränderlicher Stern unserer Milchstraße angesehen - im Sternbild Eidechse "entdeckt" wurde.)

    Es ist der hohe Kompaktheitsgrad der Quelle zu sehen. Emissionen außerhalb des Radiokerns von ca. 4 Milli-Bogensekunden Durchmesser (entsprechend etwa 50 Lichtjahren) sind kaum nachzuweisen.

    Zweifel an der Richtigkeit der Beobachtungen, die vor allem von Theoretiker-Seite geäußert wurden, liessen sich in überzeugender Weise dadurch zerstreuen, daß zeitlich parallel mit dem 100-Meter-Spiegel des MPIfR in der Eifel und dem Very Large Array des National Radio Astronomy Observatory in New Mexico, USA, Intraday Variability in mehreren aktiven Galaxienkernen nachgewiesen wurde. Die Übereinstimmung der Daten beeindruckte nicht nur die Zweifler.

    Radiokonturkarte von 1749+701. Aus der Arbeit von Witzel et al. (1988, Astronomy and Astrophysics 206, 245). Bild vergrößern
    Radiokonturkarte von 1749+701. Aus der Arbeit von Witzel et al. (1988, Astronomy and Astrophysics 206, 245).

    In der Folge wurden durch die wachsende Anzahl der auf Variabilität untersuchten AGK statistische Aussagen möglich. Mittlerweile ist evident, daß die IDV der Radiostrahlung ein weitverbreitetes Phänomen in aktiven Galaxienkernen darstellt: Etwa 30% der kompakten Radioquellen aus einer statistisch vollständigen Stichprobe von extragalaktischen Radioquellen mit Intensitäten größer als 1 Jansky (= 10-26 Watt / m2 Hz ) bei einer Wellenlänge von 6cm) zeigen Kurzzeitvariabilität mit Amplituden von 1% oder mehr ihrer totalen Intensität. Die im cm-Wellenlängenbereich stärkste Amplitude, die bisher gemessen wurde, betrug 35% der Gesamt-Flußdichte.

    DerQuasar 0917+624 zeigt "typische" IDV. Die roten Symbole zeigen zum Vergleich parallele Messungen einer nicht-variablen Eichquelle, der an der Sphäre benachbarten Galaxie 0951+699.

    Nicht nur die Gesamt-Intensität von vielen AGK weist Kurzzeitveränderungen auf, sondern auch die linear polarisierte Strahlung ändert sowohl ihre Intensität wie auch den Positionswinkel kurzfristig. Dabei können die Amplituden der polarisierten Intensität jene der totalen deutlich übertreffen (in Einzelfällen wurden Schwankungen bis zu einem Faktor zwei beobachtet), und Variationen des Polarisationswinkels von bis zu 100 Grad sind beobachtet. Z.B.:

    Eine genaue Analyse der Daten zeigte, daß Kurzzeitvariabilität in der totalen Flußdichte in nahezu allen Fällen von Variationen der linearen Polarisation begleitet wird. Dadurch sind Rückschlüsse auf die Magnetfelder in den innersten Regionen der AGK durch Beobachtungen der IDV möglich.

    Die kontroverse Diskussion über den physikalischen Ursprung der IDV ist auch heute - über zehn Jahre nach der Erstentdeckung - noch nicht abgeschlossen. Prinzipiell sind zwei Erklärungsansätze vorgeschlagen worden, die einen völlig unterschiedlichen Ort für die Entstehung der Variationen postulieren: Zum einen wird die Quelle selbst als Entstehungsort vermutet (quell-intrinsische Erklärung), zum anderen wird der Einfluß des interstellaren Mediums auf die Strahlungsausbreitung als Ursache angesehen oder aber gravitationelle Effekte, die durch Massen, z.B. Galaxien oder stellare Objekte, die sich zwischen Quelle und Beobachter befinden, ausgeübt werden (extrinsische Modelle). Letztere werden gern diskutiert, weil sie - wenigstens auf den ersten Blick - keinerlei Probleme mit zu hohen Energiedichten innerhalb der Quelle zu verursachen scheinen; ein Argument, das inzwischen als falsch entlarvt ist.

    Kurzzeitvariabilität im Quasar 0917+624. Zum Vergleich (und als Indiz für die Meßgenauigkeit) sind die Messungen der nicht-variablen Quelle 0951+699 (rote Punkte) hinzugefügt. Bild vergrößern
    Kurzzeitvariabilität im Quasar 0917+624. Zum Vergleich (und als Indiz für die Meßgenauigkeit) sind die Messungen der nicht-variablen Quelle 0951+699 (rote Punkte) hinzugefügt.

    Während die Erklärung durch Mikro-Gravitationslinsen - von einzelnen Flußdichteausbrüchen möglicherweise abgesehen - als unwahrscheinlich angesehen werden muß, ist die Streuung der Radiostrahlung im interstellaren Medium durchaus als Verursacher von Variationen mit kurzen Zeitskalen denkbar; bei Meter-Wellenlängen und längeren Zeitskalen ist dies sogar gesichert und wird benutzt, um Rückschlüsse auf die Struktur des interstellaren Mediums in der Milchstraße zu gewinnen.

    Nichtsdestotrotz treten bei den hier betrachteten Variationen im cm-Wellenlängenbereich einige Probleme bei der Erklärung auf: Neben den Schwierigkeiten, die Abhängigkeit der Variationsstärke und der beobachteten Zeitskalen von der Wellenlänge einem konsistenten Modell anzupassen, ist unklar, ob und wie quasi-periodische Flußdichteverläufe, wie sie in einer Reihe von Quellen beobachtet wurden, durch Streuprozesse verursacht werden können. Breitbandige Korrelationen der Variabilität, z.B. beobachtet beim BL Lac Objekt 0716+714 zwischen dem Radio- und dem optischen Wellenlängenbereich sprechen darüberhinaus vehement gegen eine solche Ursache, können doch durch Streuprozesse niemals optische Variationen verursacht werden.

    IDV in 0971+624 in totaler Intensität (oben), linear polarisierter Intensität (Mitte) und Polarisationswinkel (unten). In allen drei Größen sind signifikante Variationen sichtbar, wobei die relative Stärke in der polarisierten Intensität jene in der totalen deutlich übertrifft. Bild vergrößern
    IDV in 0971+624 in totaler Intensität (oben), linear polarisierter Intensität (Mitte) und Polarisationswinkel (unten). In allen drei Größen sind signifikante Variationen sichtbar, wobei die relative Stärke in der polarisierten Intensität jene in der totalen deutlich übertrifft.

    Klar ist dennoch, daß - auch falls Streuprozesse nicht alleine für die beobachteten Variationen verantwortlich sind - diese in jedem Falle (bei Wellenlängen oberhalb von etwa 1cm) als überlagerter Effekt in den Daten präsent sein müssen. Grund hierfür sind die kleinen Quellgrößen, die sich aus dem Lichtlaufzeitargument (s.o.) ergeben. Als Analogie dienen kann hier das Szintillieren von Sternen am Nachthimmel, die wegen ihrer größeren Entfernungen viel kleinere Winkeldurchmesser haben als z.B. die Planeten, deren Scheibchen folgerichtig auch kein "Flackern" aufweisen.

    Meist diskutiert und favorisiert unter den Erklärungsansätzen, die die IDV in der Quelle selbst entstehen sehen, ist das sog. relativistische Jet-Modell, das generell zur Erklärung der Beobachtungsbefunde an AGK erfolgreich benutzt wird: In diesem Modell wird die zentral - wahrscheinlich gravitativ durch die Wirkung eines schwarzen Loches o.ä. - erzeugte Energie in kollimierten Ausflußbahnen, sog. Jets , nach außen transportiert (s. Bild).

    Diese Ausflußbewegungen sind zumindest in Kernnähe relativistisch, d.h. fast lichtschnell und können dem Beobachter bei geeigneter Geometrie sogar scheinbar überlichtschnell erscheinen. Die kurzen Zeitskalen der IDV führen wie oben erwähnt zu unplausibel hohen Energiedichten, die allerdings mittels eines speziellen Ansatzes im Rahmen des relativistischen Jet-Modells korrigiert, d.h. auf plausible Werte vermindert werden. Grundlage dieses Ansatzes ist die nahezu lichtschnelle Bewegung einer Plasmawolke durch den unterliegenden Radiojet. Durch die Erhöhung der Teilchendichte am Ort der Wolke kommt es zu einer erhöhten Emission und damit zu Intensitätsvariationen. Die beobachteten Zeitskalen erfordern aber - gemäß der speziellen Relativitätstheorie - eine besondere, aber nicht unplausible Korrektur, die die hohen Energiedichten so gravierend erniedrigt, daß der oben angesprochene Kühlungsprozeß nicht wirksam wird.

    Radiointerferometriebild des Quasars 0836+710 bei 3.6cm Wellenlänge. Vom Kern (oben) ausgehend, läßt sich der Radiojet über 40 Milli-Bogensekunden (entspricht etwa 500 Lichtjahren) weit in den intergalaktischen Raum verfolgen. Die Farben entsprechen unterschiedlichen Intensitäten der Radiostrahlung (von rot zu blau abnehmend). Bild vergrößern
    Radiointerferometriebild des Quasars 0836+710 bei 3.6cm Wellenlänge. Vom Kern (oben) ausgehend, läßt sich der Radiojet über 40 Milli-Bogensekunden (entspricht etwa 500 Lichtjahren) weit in den intergalaktischen Raum verfolgen. Die Farben entsprechen unterschiedlichen Intensitäten der Radiostrahlung (von rot zu blau abnehmend).

    Berücksichtigt man die aus dem Lichtlaufzeitargument bestimmten Quelldurchmesser von der Größenordnung eines Lichttages (2.6 × 1013 km), so lassen sich durch IDV-Beobachtungen Aussagen über "winzige" Regionen in AGK gewinnen, so klein wie sie selbst mit der Methode der Interferometrie mit interkontinentalen Basislinien (VLBI) bei weitem nicht erreichbar ist.

    Eine alternative Möglichkeit, bei quell-intrinsischer Erklärung das Problem der zu hohen Energiedichte zu umgehen, bieten kollektive Emissionsprozesse: Erfährt ein Ensemble von Elektronen an einer Plasmawelle eine gleichzeitige Beschleunigung, kann dies zu kollektiver Emission, d.h. sehr großer Strahlungsverstärkung, führen. Solche Strahlungsprozesse sind wahrscheinlich auch für Radioausbrüche von Sonne und Jupiter und für die Pulsarstrahlung verantwortlich. Unklar ist allerdings (noch?), ob dieser Effekt breitbandige Variabilität verursachen kann; außerdem scheint es schwierig, aufgrund der bisherigen Beobachtungsergebnisse eindeutig zwischen kollektiver Emission und Synchrotronstrahlung zu unterscheiden.

    Abschliessend sei angemerkt, daß Kurzzeitvariationen - nach ihrer Entdeckung im Radiobereich - mittlerweile im gesamten zugänglichen elektromagnetischen Spektrum, d.h. vom Radio- bis zum Gamma-Frequenzbereich, beobachtet wurden. Entsprechend ist auch die Zahl der Arbeiten (beobachtender und theoretischer Art) über Kurzzeitvariabilität in den letzten Jahren ständig gewachsen. Größte Aussicht auf eine endgültige Klärung der Frage nach dem Ursprung der Veränderlichkeit haben sicherlich Untersuchungen, die synchron über einen großen Wellenlängenbereich durchgeführt werden. Der unbestrittenermaßen große logistische Aufwand bei der Durchführung solcher Vorhaben ist im Hinblick auf die Bedeutung der Fragestellung von untergeordnetem Belang.

    Max-Planck-Gesellschaft Jahrbuch 1998. Copyright © 1998 Max-Planck-Institut f. Radioastronomie.

    ur 3/2013

     
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