Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop hat ein internationales Team von Astronomen neue Galaxien im Spiderweb-Protocluster entdeckt (Bildnachweis: ESA/Webb, NASA & CSA, H. Dannerbauer)
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat Beweise dafür gefunden, dass supermassereiche schwarze Löcher die Sternbildung in reifenden Galaxien unterdrücken.
Das Team verwendete die Nahinfrarotkamera (NIRCam) des James Webb Weltraumteleskops (JWST) und analysierte 19 Galaxien, die zum Spiderweb-Protocluster gehören, einer der am besten untersuchten Galaxiengruppen im Universum, die etwa 11 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
Sie fanden heraus, dass Galaxien, die supermassive schwarze Löcher in ihrem Herzen zu haben scheinen, viel langsamer Sterne produzieren als Galaxien ohne solche schwarzen Löcher. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, eine seit langem bestehende Lücke in unserem Verständnis der Galaxienentwicklung zu schließen.
„Es ist uns gelungen, hochauflösende Karten der Rekombinationslinien des Wasserstoffs zu erhalten, die auf die Aktivität der Sternentstehung hinweisen“, sagte Rhythm Shimakawa, außerordentlicher Professor für Astronomie an der Waseda-Universität in Japan und Hauptautor der Studie, gegenüber kosmischeweiten.de. „Wir haben festgestellt, dass massereiche Galaxien mit aktiven supermassiven Schwarzen Löchern im Vergleich zu solchen ohne aktive supermassive Schwarze Löcher keine Anzeichen von Sternentstehung zeigen.“
Sterne entstehen, wenn massive Wolken aus kaltem Wasserstoffgas unter dem Gewicht ihrer Schwerkraft kollabieren. Wenn die Dichte der Materie in der kollabierenden Wolke zunimmt, steigt ihre Temperatur an. Dadurch wird schließlich die Kernfusion ausgelöst, die die Sterne zum Leben erweckt.
Dieser Prozess führt zur Ionisierung von Wasserstoffatomen, einem Mechanismus, der eine bestimmte Art von Strahlung aussendet, die in den Lichtspektren von hochentwickelten Instrumenten wie der NIRCam des JWST zu sehen ist.
Die Forscher verglichen acht Galaxien mit aktiven supermassiven schwarzen Löchern und 11 Galaxien mit kleineren schwarzen Löchern. (Bildnachweis: Shimakawa et al.)
Wissenschaftler beobachten seit langem, dass je älter Galaxien werden, desto weniger Sterne scheinen sie zu produzieren. Ursprünglich dachten die Experten, dass sich die Sternentstehung einfach deshalb verlangsamt, weil die Galaxien ihr kaltes Wasserstoffgas aufbrauchen. Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass einige Galaxien, die nur 1 Milliarde Jahre alt sind (unsere Milchstraße ist 13,6 Milliarden Jahre alt), bereits Anzeichen für ein Ausbrennen der Sternentstehung zeigen. Das ist ein zu kurzer Zeitraum, als dass diese Galaxien allein durch Sternentstehung das Wasserstoffgas verbrauchen könnten.
Einige Astronomen vermuten daher, dass mit dem Wachstum der Galaxien durch Verschmelzung mit anderen Galaxien auch die schwarzen Löcher in ihren Zentren wachsen und Millionen von Sonnenmassen erreichen. (Eine Sonnenmasse entspricht einer Masse unserer Sonne). In dem Maße, wie die schwarzen Löcher wachsen, nimmt auch ihre Fähigkeit zu, Gas aus den Galaxien zu saugen. Je massereicher das Schwarze Loch ist, desto schneller treibt es die Materie über seinen Ereignishorizont hinaus und erreicht dabei Geschwindigkeiten von Zehntausenden von Kilometern. Einige dieser schwarzen Löcher spucken einen Teil des akkretierenden Gases in Form von relativistischen Jets in den intergalaktischen Raum aus, wodurch die Galaxie weiter vom sternhaltigen Medium befreit wird. Die JWST-Beobachtungen des Spiderweb-Protohaufens, der uns aufgrund seiner großen Entfernung so erscheint, wie er weniger als 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall aussah, unterstützen diese Theorie.
„Der Spiderweb-Protohaufen ist der erste uralte Galaxienhaufen, der jemals gefunden wurde, und wird seit über zwei Jahrzehnten von verschiedenen Forschergruppen untersucht“, sagte Shimakawa. „Es gibt viele massereiche Galaxien [im Spiderweb-Superhaufen] , die supermassereiche schwarze Löcher beherbergen, was ihn zu einem idealen Labor macht, um die Beziehung zwischen schwarzen Löchern und Sternentstehung im Detail zu untersuchen.“
In großen elliptischen Galaxien, die das Endstadium der Galaxienentwicklung darstellen, findet normalerweise so gut wie keine Sternentstehung statt. Im Gegensatz zu Spiralgalaxien wie der Milchstraße mit ihren ausgeprägten Strukturen aus gewundenen Spiralarmen sind elliptische Galaxien eher unförmig. Wissenschaftler vermuten, dass diese riesigen Ansammlungen von Sternen durch Zusammenstöße zwischen jüngeren Galaxien entstanden sind. Die Wucht dieser galaktischen Kollisionen hätte die ordentlichen Strukturen der Vorgängergalaxien ausgelöscht und elliptische Galaxien in chaotische Regionen verwandelt, in denen die Sterne in zufälligen Richtungen kreisen. Bei diesen Zusammenstößen wären auch die zentralen Schwarzen Löcher der Elterngalaxien verschmolzen, wodurch bei jeder weiteren Kollision ein massereicheres Schwarzes Loch entstanden wäre. Infolgedessen sind die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren elliptischer Galaxien die massereichsten bekannten Schwarzen Löcher.
Wenn sich Materie spiralförmig auf ein solches supermassives Schwarzes Loch zubewegt, sendet sie starke Röntgenstrahlen aus, die von anderen Observatorien in der Umlaufbahn wie dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA beobachtet werden können. Durch den Vergleich der Chandra-Beobachtungen mit den JWST-Messungen der Wasserstoffionisierung fanden die Forscher heraus, dass Galaxien mit den gefräßigsten Schwarzen Löchern die niedrigsten Sternentstehungsraten aufweisen.
Wissenschaftler haben bereits früher Hinweise darauf gefunden, dass supermassereiche Schwarze Löcher Gas aus Galaxien verdrängen können, aber die Beobachtungen des Spiderweb-Protohaufens sind besonders wertvoll, da sie ein Muster in einer größeren Gruppe von Galaxien aufzeigen, die alle ungefähr das gleiche Alter haben. Acht der beobachteten Galaxien haben aktive supermassive schwarze Löcher in ihren Zentren, während 11 ein ruhigeres Herz haben.
Shimakawa sagt jedoch, dass nicht genug über das Zusammenspiel zwischen supermassiven schwarzen Löchern und den sie umgebenden Galaxien bekannt ist und dass andere Mechanismen zur Verlangsamung der Sternbildung beitragen könnten.
Die Studie wurde am 18. Dezember in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
