Ein Vergleich zwischen den Galaxienhaufen Perseus und Centauru. Die leuchtenden weißen Punkte sind schwarze Löcher (Bildnachweis: Perseus-Haufen: X-ray: NASA/CXC/SAO/V. Olivares et al.; Optisch/IR: DSS; H-alpha: CFHT/SITELLE; Centaurus-Haufen: Röntgen: NASA/CXC/SAO/V. Olivaresi et al.; Optisch/IR: NASA/ESA/STScI; H-alpha: ESO/VLT/MUSE; Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/N. Wolk)
Jeder, der schon einmal in einen frischen Apfelkuchen gebissen oder einen Schluck heißen Kaffee getrunken hat, weiß, wie wichtig es ist, auf das Essen oder das Getränk zu pusten, bevor man es in den Mund nimmt.
Es hat sich herausgestellt, dass Schwarze Löcher das kosmische Äquivalent dieser Routine sind, indem sie auf glühend heiße Materie „pusten“, bevor sie sie verschlingen.
Dieser Abkühlungsprozess von supermassiven schwarzen Löchern wurde von Astronomen entdeckt, die das Chandra-Röntgenteleskop der NASA und das Very Large Telescope (VLT) benutzten, um einige der massivsten schwarzen Löcher des Universums in den Herzen von sieben Galaxienhaufen zu beobachten.
Das Team fand heraus, dass Jets, die von supermassiven schwarzen Löchern ausgehen, heißes Gas zwischen Galaxien in Galaxienhaufen, das so genannte „Intracluster-Medium (ICM)“, treffen und große Hohlräume aussparen. Dadurch können sich komplexe fadenförmige Strukturen aus heißem ionisiertem Gas und kühlerem Gas bilden. Dieses kühlere Gas fällt dann in das Zentrum des Galaxienhaufens zurück, füttert das supermassive Schwarze Loch und löst weitere Ausbrüche aus.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (27. Januar) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Inhaltsübersicht
Hungrige schwarze Löcher zaubern eine Mahlzeit
Supermassive schwarze Löcher sind kosmische Titanen, die in den Herzen aller großen Galaxien sitzen. In einigen Fällen sind diese schwarzen Löcher mit einer millionen- oder gar milliardenfachen Sonnenmasse ruhig wie Sagittarius A* (Sgr A*).
In anderen Fällen kommt es bei diesen kosmischen Titanen zu heftigen Ausbrüchen, bei denen mächtige Zwillingsstrahlen von Material ausgestoßen werden, die sich weit über und unter die Ebenen ihrer Wirtsgalaxien erstrecken und sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Ein Beispiel dafür ist das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Galaxie Messier 87 (M87), das erste Schwarze Loch, das von der Menschheit abgebildet wurde und für seine energiereichen Eruptionen bekannt ist.
(links) das relativ ruhige Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße (rechts) das gewaltige und turbulente supermassive Schwarze Loch von M87 (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Sgr A* hat eine Masse, die 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, während M87* eine Masse hat, die 6,5 Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, aber dieser Massenunterschied ist nicht der Grund dafür, dass letzteres viel heftiger ist als ersteres. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das supermassereiche Schwarze Loch von M87 sich unersättlich von Materie ernährt, während das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße so spärlich ist, dass es vergleichbar ist mit einem Menschen, der alle Millionen Jahre ein einziges Reiskorn isst.Schwarze Löcher ernähren sich auf diese Weise, wenn sie von einer Fülle von Gas und Staub umgeben sind, die eine abgeflachte rotierende Wolke bilden, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Materie, die dem zentralen Schwarzen Loch nicht zugeführt wird, kann durch starke Magnetfelder zu seinen Polen gelenkt werden, von wo aus sie als astrophysikalische Jets ausgestoßen wird. Die Region um ein fütterndes Schwarzes Loch wird als Aktiver Galaktischer Kern (AGN) bezeichnet, und die Strahlen dieser Schwarzen Löcher werden als „AGN-Rückkopplung“ bezeichnet. Das Forschungsteam untersuchte keine supermassereichen Schwarzen Löcher wie die im Herzen der Milchstraße und M87, sondern Beispiele, die bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen groß sein können und sich in den Zentren von Galaxienhaufen befinden.
Schwarze Löcher mögen ihr Essen kühl
Die supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxienhaufen stoßen ebenfalls Jets aus, die sich von Gas und Staub aus der Umgebung ernähren.
Das Bild unten zeigt den Perseus-Haufen oder Abell 426, eine der größten Strukturen im Kosmos in einer Entfernung von etwa 240 Millionen Lichtjahren. Er besteht aus Tausenden von Galaxien, die von einer riesigen Wolke aus heißem Gas umhüllt sind.
Der Perseus-Haufen und sein zentrales supermassereiches schwarzes Loch in Weiß, gesehen vom Chandra-Teleskop und dem VLT (Bildnachweis: X-ray: NASA/CXC/SAO/V. Olivares et al.; Optisch/IR: DSS; H-alpha: CFHT/SITELLE; Centaurus-Haufen: Röntgen: NASA/CXC/SAO/V. Olivaresi et al.)Das nächste Bild (unten) zeigt den etwas weniger massereichen Galaxienhaufen Centaurus Cluster (A3526), der Hunderte von Galaxien beherbergt und etwa 170 Millionen Lichtjahre entfernt ist.
Beide Bilder wurden mit Chandra- und VLT-Daten erstellt.
Der Centaurus-Haufen und sein supermassives Schwarzes Loch, gesehen von Chandra und dem VLT (Bildnachweis: NASA/CXC/SAO/V. Olivaresi et al.)
Die blauen Regionen stellen Röntgenstrahlen dar, die von superheißem Gas des ersteren emittiert werden. Die roten Ranken, die sich durch dieses Gas schlängeln, stellen Filamente aus kühlerem Gas dar, die vom VLT im optischen Licht gesehen werden.
Dies unterstützt eine Theorie, die besagt, dass Ausbrüche von Schwarzen Löchern dazu führen können, dass sich das heiße Gas um sie herum abkühlt und relativ feine Filamente aus noch warmem Gas bildet.
Das warme Gas fällt in die Herzen dieser Haufen, wo es sich zu Akkretionsscheiben verbindet und so das dort befindliche supermassive Schwarze Loch füttert. Dieser Prozess treibt auch weitere Jets an, die ironischerweise noch mehr warmes Gas einbringen und die Speisekammer des Schwarzen Lochs wieder auffüllen.
Eine Illustration zeigt, wie Gas in die Region um ein supermassereiches Schwarzes Loch fällt, während ein Jet herausschießt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Dieses Modell der Fütterung durch supermassive Schwarze Löcher legt nahe, dass es einen Zusammenhang zwischen der Helligkeit der heißen Gasfäden und der warmen Gasranken geben sollte, was bedeutet, dass das kühlere Gas in den Regionen, in denen das heiße Gas zu sehen ist, ebenfalls heller sein sollte. Dies ist der erste eindeutige Beweis für die Existenz eines solchen Zusammenhangs, der diese Theorie entscheidend unterstützt. Die Verbindung, die das Team zwischen diesen Gasfäden gefunden hat, ähnelt derjenigen, die in den Gasschwänzen von so genannten „Quallengalaxien“ zu sehen ist.
Das sind Galaxien, bei denen Gas mitgerissen wird, wenn die Galaxien durch die sie umgebenden Wolken aus dichtem Gas und Staub wandern, wodurch lange Schwänze entstehen.
Die Erkenntnisse des Teams könnten auch über die Fütterungsmechanismen von Schwarzen Löchern hinaus von Bedeutung sein. Denn es wird angenommen, dass kühle Gasfäden die Bausteine für neue Sterne liefern.
Das bedeutet, dass die aufgedeckte Beziehung sowohl für das Wachstum von Galaxien als auch für das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher von Bedeutung sein könnte.
Diese Ergebnisse waren dank einer innovativen Technik mit Chandra-Daten möglich, mit der heiße Filamente von anderen Strukturen unterschieden werden können. Dazu gehören auch die großen Hohlräume in riesigen heißen Gaswolken, die ebenfalls von den Jets der Schwarzen Löcher geformt werden.
