Ein geschwächtes Schwarzes Loch lässt seine Galaxie erwachen

Galaxienhaufen sind die größten Strukturen im Kosmos, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Sie bestehen aus Hunderten oder Tausenden von in heißes Gas eingebetteten Galaxien sowie unsichtbarer dunkler Materie. Die größten bekannten supermassiven Schwarzen Löcher befinden sich in Galaxien in den Zentren dieser Cluster.

Seit Jahrzehnten suchen Astronomen in ihren Zentralgalaxien nach Galaxienhaufen, die reichhaltige Baumschulen von Sternen enthalten. Stattdessen fanden sie mächtige, riesige Schwarze Löcher, die durch Strahlen energiereicher Partikel Energie abpumpten und das Gas zu warm hielten, um viele Sterne zu bilden.

Jetzt haben Wissenschaftler überzeugende Beweise für einen Galaxienhaufen, in dem sich Sterne mit rasender Geschwindigkeit bilden, anscheinend verbunden mit einem weniger effektiven Schwarzen Loch in seinem Zentrum. In diesem einzigartigen Cluster scheinen die Jets aus dem zentralen Schwarzen Loch die Sternentstehung zu unterstützen. Die Forscher verwendeten neue Daten aus dem Chandra-Röntgenobservatorium und dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA sowie dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der NSF, um auf früheren Beobachtungen dieses Clusters aufzubauen.

"Dies ist ein Phänomen, das Astronomen seit langem zu finden versuchen", sagte Michael McDonald, Astronom am Massachusetts Institute of Technology (MIT), der die Studie leitete. "Dieser Cluster zeigt, dass die energetische Leistung eines Schwarzen Lochs in einigen Fällen die Kühlung tatsächlich verbessern kann, was zu dramatischen Konsequenzen führt."

Das Schwarze Loch befindet sich im Zentrum eines Galaxienhaufens namens Phoenix Cluster, der sich in der Phoenix-Konstellation etwa 5,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Die große Galaxie, die das Schwarze Loch beherbergt, ist von heißem Gas mit Temperaturen von Millionen Grad umgeben. Die Masse dieses Gases, die Billionen von Sonnen entspricht, ist um ein Vielfaches größer als die Gesamtmasse der Sterne in allen Galaxien des Haufens.

Dieses heiße Gas verliert Energie, wenn es in Röntgenstrahlen leuchtet, was dazu führen sollte, dass es abkühlt, bis es eine große Anzahl von Sternen bilden kann. In allen anderen beobachteten Galaxienhaufen verhindern Energiestöße, die von einem solchen Schwarzen Loch ausgehen, dass der größte Teil des heißen Gases abkühlt, was eine weitverbreitete Sternentstehung verhindert.

»Stellen Sie sich vor, Sie lassen an einem heißen Tag eine Klimaanlage in Ihrem Haus laufen, machen dann aber ein Holzfeuer. Ihr Wohnzimmer kann erst richtig abkühlen, wenn Sie das Feuer gelöscht haben “, sagte Co-Autor Brian McNamara von der University of Waterloo in Kanada. "Ebenso kann das Gas abkühlen, wenn die Heizfähigkeit eines Schwarzen Lochs in einem Galaxienhaufen ausgeschaltet wird."

Hinweise auf eine schnelle Sternentstehung im Phoenix-Cluster wurden bereits 2012 von einem Team unter der Leitung von McDonald gemeldet. Um Einzelheiten über die Rolle des zentralen Schwarzen Lochs bei der Wiedergeburt von Sternen in der Zentralgalaxie und darüber, wie sich dies in Zukunft ändern könnte, zu erfahren, waren jedoch tiefere Beobachtungen erforderlich.

Durch die Kombination langer Beobachtungen mit Röntgen-, optischem und Radiobeleuchtung konnten die Forscher die Datenqualität im Vergleich zu früheren Beobachtungen um das Zehnfache verbessern. Die neuen Chandra-Daten zeigen, dass heißes Gas fast mit der erwarteten Geschwindigkeit abkühlt, wenn keine Energie durch ein Schwarzes Loch injiziert wird. Die neuen Hubble-Daten zeigen, dass sich etwa 10 Milliarden Sonnenmassen von Kühlgas entlang der Filamente befinden, die zum Schwarzen Loch führen, und dass sich aus diesem Kühlgas mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 Sonnenmassen pro Jahr junge Sterne bilden. Zum Vergleich: In der Milchstraße bilden sich Sterne mit einer Geschwindigkeit von etwa einer Sonnenmasse pro Jahr.

Die VLA-Funkdaten zeigen, dass Jets aus der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs abgefeuert werden. Diese Jets haben wahrscheinlich Blasen im heißen Gas aufgeblasen, die in den Chandra-Daten erfasst werden. Sowohl die Jets als auch die Blasen zeugen von einem raschen Wachstum des Schwarzen Lochs in der Vergangenheit. Zu Beginn dieses Wachstums war das Schwarze Loch möglicherweise im Vergleich zur Masse seiner Wirtsgalaxie unterdimensioniert, was eine rasche unkontrollierte Abkühlung ermöglichen würde.

"In der Vergangenheit waren Ausbrüche des untergroßen Schwarzen Lochs möglicherweise einfach zu schwach, um die Umgebung zu erwärmen, sodass heißes Gas abkühlen konnte", sagte Co-Autor Matthew Bayliss, der während dieser Studie am MIT forschte, dies jedoch kürzlich getan hat trat der Fakultät an der Universität von Cincinnati bei. "Aber als das Schwarze Loch massiver und mächtiger geworden ist, hat sein Einfluss zugenommen."

Die Abkühlung kann fortgesetzt werden, wenn das Gas durch die Ausbrüche des Schwarzen Lochs aus der Mitte des Clusters abgeführt wird. In größerer Entfernung vom Heizeinfluss des Schwarzen Lochs kühlt das Gas schneller ab, als es zur Clustermitte zurückfallen kann. Dieses Szenario erklärt anhand eines Vergleichs der Chandra- und Hubble-Daten die Beobachtung, dass sich kühles Gas an den Rändern der Hohlräume befindet.

Schließlich wird der Ausbruch genügend Turbulenzen, Schallwellen und Stoßwellen erzeugen (ähnlich den von Überschallflugzeugen erzeugten Schallknallen), um Wärmequellen bereitzustellen und eine weitere Abkühlung zu verhindern. Dies wird so lange fortgesetzt, bis der Ausbruch aufhört und der Aufbau von Kühlgas wieder aufgenommen werden kann. Der gesamte Zyklus kann sich dann wiederholen.

"Diese Ergebnisse zeigen, dass das Schwarze Loch vorübergehend zur Bildung von Sternen beiträgt. Wenn es jedoch seine Auswirkungen verstärkt, ahmt es die von Schwarzen Löchern in anderen Clustern nach und erstickt so die Sternentstehung", sagte Co-Autor Mark Voit aus Michigan Staatliche Universität in East Lansing, Michigan.

Das Fehlen ähnlicher Objekte zeigt, dass Cluster und ihre enormen Schwarzen Löcher die schnelle Sternentstehungsphase relativ schnell durchlaufen.

Ein Artikel, der diese Ergebnisse beschreibt, wurde kürzlich in einer Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht. Ein Preprint ist  online verfügbar .

Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory kontrolliert die Wissenschaft und den Flugbetrieb von Cambridge und Burlington, Massachusetts. Das Hubble-Weltraumteleskop der NASA ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA. Das Space Telescope Science Institute von AURA in Baltimore, Maryland, führt Hubble-Forschungsoperationen durch. Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die in Zusammenarbeit mit Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Quelle: https://public.nrao.edu/news/weakened-black-hole/#PRimageSelected