Eine weiße Scheibe mit dunklen Bahnen, die sie durchziehen, und langen violetten Linien, die von ihren Polen ausgehen. Daneben ein Quadrat mit orangefarbenen Wellen (Bildnachweis: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO) / C Richards/MD Smith/University of Kent)
Das Leben von Galaxien kann verlängert werden, wenn ihre supermassiven schwarzen Löcher, die sie mit „Herz und Lunge“ versorgen, sie beim „Atmen“ unterstützen und verhindern, dass sie zu groß werden.
Das legen neue Forschungsergebnisse nahe, die darauf hindeuten, dass das Universum viel schneller gealtert wäre und heute voller „Zombie“-Galaxien wäre, die tote oder sterbende Sterne enthalten, wenn es nicht die supermassiven schwarzen Löcher gäbe, von denen man annimmt, dass sie in den Herzen aller großen Galaxien sitzen. Die Astrophysiker, die diese Erkenntnisse gewonnen haben, vergleichen die Gas- und Strahlungsstrahlen, die supermassive schwarze Löcher von ihren Polen ausstoßen, mit den Atemwegen, die unsere Lungen versorgen.
Das Team der University of Kent geht davon aus, dass die Impulse der beiden „Herzen“ der schwarzen Löcher Schockfronten verursachen, die zwischen den beiden Düsen hin- und herschwingen. Dies ähnelt der Art und Weise, wie sich ein Teil unseres Körpers, das so genannte Thoraxzwerchfell, in unserer Brusthöhle auf und ab bewegt, um unsere Lungen auf- und abzublasen.
In Galaxien überträgt diese atmungsähnliche Aktion die Energie der von supermassiven schwarzen Löchern ausgestoßenen Jets auf das umgebende Medium, so wie man an einem kalten Wintermorgen warme Luft in die kältere Luft ausatmen kann. Sterne entstehen, wenn sich interstellare Gaswolken abkühlen und kondensieren können. Das bedeutet, dass dieses „Ausatmen“ die Sternentstehung verlangsamen und das Wachstum von Galaxien einschränken kann.
Das Team kam zu dieser Schlussfolgerung, nachdem es Simulationen analysiert hatte, die darauf abzielten, den Einfluss der von supermassiven Schwarzen Löchern ausgestoßenen Überschalljets auf die Hemmung des Galaxienwachstums zu replizieren. Die Simulationen zeigten, dass das Herz des supermassiven Schwarzen Lochs pulsieren kann, wodurch in den Jets ein hoher Druck entsteht – fast wie bei einem Menschen, der unter hohem Blutdruck oder „Hypertonie“ leidet.
Wenn dies geschah, sah das Team, dass die Jets wie Blasebälge zu wirken begannen und Schallwellen ausstießen, die sich durch das umgebende Material aus galaktischem Gas und Staub kräuselten.
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Zwei verschiedene Simulationen von Jets aus Schwarzen Löchern, die in das galaktische Medium aus Gas und Staub eintreten. (Bildnachweis: C Richards/MD Smith/Universität von Kent)
„Uns war klar, dass es für die Jets irgendeine Möglichkeit geben muss, den Körper – das umgebende Gas der Galaxie – zu stützen, und genau das haben wir in unseren Computersimulationen entdeckt“, so Teammitglied Carl Richards, Doktorand an der Universität von Kent, in einer Erklärung. „Das unerwartete Verhalten zeigte sich, als wir die Computersimulationen des hohen Drucks analysierten und das Herz pulsieren ließen.“
Dies schickte einen Strom von Impulsen in die Hochdruckdüsen, die durch die balgartige Wirkung der oszillierenden Düsenstoßfronten ihre Form veränderten. Der Forscher fügte hinzu, dass sich diese Strahlen „wie luftgefüllte Lungen“ ausdehnten. Dabei schickten sie Druckwellen in das galaktische Material um sie herum, was in den Simulationen das Wachstum der Galaxien stoppte.
Eine Illustration, die Schallwellen (Ripples) im heißen Gas des Perseus-Haufens zeigt. Man nimmt an, dass sie von Hohlräumen erzeugt werden, die von Jets aus einem supermassiven schwarzen Loch, dem hellen weißen Fleck im Zentrum der Galaxie, ausgestoßen werden. (Bildnachweis: NASA/NASA/CXC/M.Weiss)
Abgesehen von den Simulationen des Teams gibt es einige andere Belege für dieses Phänomen in realen Galaxien. So haben Astronomen etwa 240 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Perseus-Galaxienhaufen Beweise für große Gasblasen in dieser Ansammlung von Tausenden von Galaxien gesehen, die in eine riesige Wolke aus Multimillionen Grad heißem Gas eingetaucht sind. Man nimmt an, dass diese Blasen das Ergebnis von Schallwellen sind, die sich durch das galaktische Medium in diesem Haufen ausbreiten.
Das Gleichgewicht zwischen der Aktivität der Schwarzen Löcher und dem Gasfluss in die Galaxien ist jedoch äußerst schwierig zu erreichen, da supermassive Schwarze Löcher eine ständige Zufuhr von Gas und Staub benötigen, um Jets zu erzeugen.
„Zu schnelles oder zu langsames Atmen liefert nicht die lebensspendenden Erschütterungen, die notwendig sind, um das Medium der Galaxie aufrechtzuerhalten und gleichzeitig das Herz mit Treibstoff zu versorgen“, sagte Michael Smith, Mitglied des Teams und Forscher an der Universität Kent, in der Erklärung. „Es ist jedoch nicht einfach, dies zu erreichen, und wir haben Einschränkungen bezüglich der Art der Pulsation, der Größe des Schwarzen Lochs und der Qualität der Lunge.“
Das Team kam zu dem Schluss, dass die Lebensdauer einer Galaxie mit Hilfe des „Herzens“ des supermassereichen Schwarzen Lochs und der „Lungen“ dieses Schwarzen Lochs, die von seinem Kern ausgehen, verlängert werden kann, da sie das Wachstum hemmen, indem sie die Menge des Gases begrenzen, das bereits in einem frühen Stadium zu Sternen kollabiert.
Ohne diesen Mechanismus hätten viele Galaxien in unserem 13,8 Milliarden Jahre alten Universum bereits ihren Treibstoffvorrat für die Sternentstehung aufgebraucht. Die meisten Galaxien ähneln zu diesem Zeitpunkt so genannten „roten und toten“ Zombie-Galaxien, gefüllt mit alten, ausgebrannten Sternen.
Die Forschungsergebnisse des Teams werden am 12. Juli in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
