Aktive supermassive Schwarze Löcher könnten Motoren der Sternentstehung und nicht nur der Zerstörung sein, so eine Studie

Wissenschaftler haben die Struktur von neun hellen Kernen von Galaxien in der Nähe der Milchstraße kartiert und gemeinsame Muster entdeckt, die Aufschluss über die Entwicklung des Universums geben könnten

Im Herzen einiger Galaxien liegen extrem helle Flecken – viel zu leuchtend, um von Sternen allein beleuchtet zu werden. Jeder leuchtende Kern überstrahlt den Rest seiner Galaxie zusammen, dank eines supermassereichen Schwarzen Lochs, das Materie verschlingt, Jets und Winde ausstößt und Emissionen aller Arten elektromagnetischer Strahlung antreibt, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen.

Das supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie ist ruhiger. Aber die Untersuchung dieser hellen Regionen, die als aktive galaktische Kerne (AGNs) bezeichnet werden und über den gesamten Kosmos verstreut sind, kann Astronomen Aufschluss darüber geben, wie Sterne und Galaxien entstehen – und möglicherweise Aufschluss über unsere Milchstraße geben.

Aktive galaktische Kerne „sind extreme Physiklabore“, sagt Niel Brandt, Astrophysiker an der Penn State. Es handelt sich um Orte, an denen starke Schwerkraft herrscht und die von Hochtemperaturplasma umgeben sind. Am wichtigsten ist vielleicht, dass es sich dabei um supermassive Schwarze Löcher handelt, von denen man annimmt, dass sie eine Rolle in der kosmischen Entwicklung spielen. „Wir glauben, dass sie etwas damit zu tun haben, wie sich Galaxien zusammensetzen“, fügt Brandt hinzu. „Das haben wir schon lange vermutet.“

In einem Schritt zum Verständnis dieser mysteriösen Phänomene hat ein Forschungsteam nun die Dynamik von neun AGNs in der lokalen Nachbarschaft unserer Galaxie kartiert. Ihre Ergebnisse wurden am 14. September in der veröffentlicht Astrophysikalisches Journallegen nahe, dass diese aktiven Regionen die Sternentstehung fördern könnten – im Gegensatz zu dem, was Astronomen lange angenommen haben.

„Im Allgemeinen denken die Leute, dass es insgesamt die Sternentstehung in Wirtsgalaxien verhindert“, sagt der Hauptautor der Studie, Peixin Zhu, ein Astrophysiker am Center for Astrophysics, Harvard und Smithsonian. „Aber was wir jetzt sehen, ist tatsächlich das Gegenteil.“

Die Sternentstehung erfordert erstaunlich niedrige Temperaturen, die knapp über dem absoluten Nullpunkt liegen. Aber ein supermassereiches Schwarzes Loch stößt Jets und Wellen aus, die das umgebende Gas aufheizen können – daher schien es wahrscheinlich, dass diese aktiven Kerne von Galaxien die Chance auf Sternentstehung zunichte machen könnten.

Um herauszufinden, was rund um superhelle AGNs passiert, konzentrierte sich das Team auf nahegelegene Galaxien, da sie mithilfe des Very Large Telescope in Chile und des Chandra-Röntgenobservatoriums, das die Erde umkreist, hochauflösende Ansichten ihrer Zentren erhalten konnten. Detaillierte theoretische Modelle, die von den Forschern erstellt wurden, boten Vorhersagen für das Verhalten von Schwarzen Löchern, die sie mit ihren Beobachtungen vergleichen konnten. Am Ende fanden sie ein gemeinsames Muster in allen neun AGN-haltigen Galaxien.

Das Team identifizierte Bereiche der Sternentstehung – in Form von Ringen oder Bögen – um jedes der AGNs herum, die alle irgendwo zwischen 2.600 und 19.600 Lichtjahren vom Zentrum ihrer Galaxien entfernt liegen.

„Das ist eine sehr überraschende Erkenntnis für mich und, glaube ich, auch für unsere Gemeinschaft“, sagt Zhu. Aufgrund ihrer immensen Schwerkraft sind Schwarze Löcher dafür bekannt, dass sie Materie ansammeln oder anziehen. Man könnte davon ausgehen, dass dieser Prozess „das gesamte Gas übernimmt“, das sonst zur Sternentstehung beitragen könnte, fügt sie hinzu. „Aber Tatsache ist, dass sie nicht nur all diese Dinge ansammeln, sondern auch Dinge ausstoßen.“ Der Impuls und die Energie dieses ausgeschleuderten Materials könnten letztendlich die Sternentstehung fördern, obwohl die genauen Mechanismen, wie das funktioniert, eine Frage zukünftiger Forschung sind.

„Wir sehen, dass Schwarze Löcher nicht nur Material in den Zentren von Galaxien verbrauchen, sondern auch ihre Umgebung aktiv umgestalten“, sagt die Mitautorin der Studie und Astrophysikerin Lisa Kewley, Direktorin des Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian, in einer Erklärung.

Das Team kartierte auch das geladene Gas, das aus den Schwarzen Löchern kommt. Diese Strahlung breitet sich nicht gleichmäßig in alle Richtungen aus; Stattdessen bildet es einen Doppelkegel – eine Form wie zwei Eistüten, die voneinander weg gerichtet sind und deren Spitzen das Schwarze Loch berühren.

Sie fanden heraus, dass vom Schwarzen Loch auch schnelle Schockwellen ausgehen, und dass sich diese Schockwellen über die neun Galaxien hinweg senkrecht zu den Strahlungsdoppelkegeln ausbreiteten.

Diese spezielle Geometrie war für Zhu eine zweite Überraschung. Als sie es zum ersten Mal in ihren Ergebnissen sah, sei sie skeptisch gewesen, sagt sie. Doch später führte sie einige Simulationen der Dynamik von Schwarzen Löchern durch und zu ihrer Überraschung stimmten diese mit den Beobachtungen überein. „Sie haben tatsächlich eine Stoßwelle vorhergesagt, die senkrecht zu AGN-Winden oder -Jets verläuft“, sagt sie, „und das ist der Punkt, an dem ich das Gefühl habe: Okay, ich sehe keinen Unsinn.“

Brandt, der nicht an der Forschung beteiligt war, stimmt zu, dass der senkrechte Winkel überraschend ist. „Was ist die Ursache dafür? Das finde ich immer noch ein wenig rätselhaft“, sagt er. „Das ist etwas, das ein wenig mysteriös ist.“

Bei einer Auswahl von nur neun Galaxien kann das Team keine Rückschlüsse auf das gesamte Universum ziehen. Aber Zhu sagt, dass sie hoffen, diese Stichprobe mit zukünftigen Arbeiten zu erweitern. Teleskope wie das Extremely Large Telescope und das Giant Magellan Telescope, die beide in Chile im Bau sind, sollen den Kosmos mit extrem hoher Auflösung betrachten.

Die AGNs in der Studie seien „sehr gute lokale Labore für diese Art von Arbeit“, sagt Brandt. „Aber das wirklich große kosmische Experiment fand nicht im nahegelegenen Universum statt.“ Es geschah vor viel längerer Zeit, im fernen Universum.

Auch wenn der weiter entfernte Kosmos nicht mit der gleichen Auflösung abgebildet werden kann, die das Team in dieser Studie erreicht hat, fragt sich Brandt, ob diese Objekte zur Geschichte der galaktischen Entwicklung beitragen würden. „Können wir Fingerabdrücke dessen erkennen, was wir lokal im fernen Universum sehen?“ er fragt.

Einer der größten Vorteile der neuen Forschung, fügt Brandt hinzu, besteht darin, dass das Team eine Strukturkarte erstellt hat – einen Ring oder Bogen der Sternentstehung, Doppelkegel der Strahlung und senkrechte Schocks –, die allen AGNs gemeinsam sein könnten.

Ihre Arbeit verleiht diesen hellen Bereichen, die größtenteils eine kosmische Suppe aus wirbelndem Gas, Staub, Röntgenstrahlen, geladenen Teilchen und Magnetfeldern sind, ein Gefühl von Ordnung.

„Wenn man sich das anschaut, denkt man einfach: Na ja, das ist einfach eine verwirrende Mischung. Es ist einfach ein Durcheinander. Vielleicht schaffen wir es nicht, das in den Griff zu bekommen“, sagt Brandt. „Aber sie argumentieren, dass man das vielleicht klären kann. … Sie argumentieren, dass der Wahnsinn Methode hat.“