Hauptteil: Ein supermassives Schwarzes Loch zerfetzt und verschlingt einen Stern. Inset: Eine Aufnahme des Very Long Baseline Array zeigt zwei supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen von Galaxien, wobei das rechte gerade einen Stern verschlungen hat (Bildnachweis: Hauptteil: ESA/C. Carreau. Einsatz: H.L. MANESS/GRINNELL COLLEGE)
Eine neue Untersuchung eines seltenen und kurzlebigen Galaxientyps hat ergeben, dass solche Objekte schlummernde supermassive Schwarze Löcher beherbergen, die kurzzeitig erwachen, um einen massiven Stern zu zerreißen und seine Überreste als riesiges kosmisches Frühstück zu verschlingen.
„Compact Symmetric Objects“ oder CSOs sind aktive Galaxien, die zwei Jets haben, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus ihnen herausschießen. Diese Jets sind aktiven galaktischen Kernen (AGN) gemein, in deren Herzen sich supermassereiche schwarze Löcher von Gas und Staub aus der Umgebung ernähren – aber die Jets von CSOs sind anders.
Während sich Jets von AGNs über 230.000 Lichtjahre in beide Richtungen erstrecken können, sind CSO-Jets verkümmert und erstrecken sich nur über etwa 1.500 Lichtjahre.
Wissenschaftler hatten bisher die Theorie aufgestellt, dass CSO-Jets kurz sind, weil sie neu gebildet oder jung sind. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des California Institute of Technology (Caltech) festgestellt, dass diese Jets einfach nur eine kurze Lebensdauer haben.
„Diese CSOs sind nicht jung. Man würde auch einen 12-jährigen Hund nicht als jung bezeichnen, obwohl er ein kürzeres Leben als ein erwachsener Mensch hat“, sagte der Leiter des Studienteams Anthony Readhead, ein emeritierter Professor für Astronomie am Caltech, in einer Erklärung. „Diese Objekte sind eine ganz eigene Spezies, die in Tausenden von Jahren leben und aussterben, anstatt der Millionen von Jahren, die in Galaxien mit größeren Jets üblich sind.“
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Schwarze Löcher geben Galaxien ein Hundeleben
Um das Rätsel der CSOs zu lösen und ihre wahre Natur aufzudecken, haben Readhead und Kollegen zwei Jahre lang 3.000 CSO-Kandidaten in der bisherigen Literatur und astronomische Daten des Very Long Baseline Array (VLBA) und anderer hochauflösender Radioteleskope durchforstet.
„Die VLBA-Beobachtungen sind die detailliertesten in der Astronomie und liefern Bilder mit Details, die der Breite eines menschlichen Haares in einer Entfernung von 160 Kilometern entsprechen“, sagte Readhead.
Das Team bestätigte 64 dieser Kandidaten als CSOs und entdeckte darüber hinaus weitere 15 dieser seltenen Galaxien. Bei der Analyse dieser CSOs kam das Team zu dem Schluss, dass diese seltenen Galaxientypen nur für 5.000 Jahre oder weniger Jets ausstoßen und dann wieder verschwinden.
„Die CSO-Jets sind sehr energiereiche Jets, aber sie scheinen abzuschalten“, sagte Teammitglied Vikram Ravi, ein Assistenzprofessor am Caltech. „Die Jets hören auf, aus der Quelle zu fließen.“
Das Team hat einen Verdächtigen für die Emission dieser Jets identifiziert: Sie stellen die Theorie auf, dass das Herzstück der CSOs supermassive schwarze Löcher sind, die Sterne zerreißen, die ihnen zu nahe kommen, und zwar in so genannten „Gezeitenstörungen“ (tidal disruption events, TDEs).
Eine künstlerische Darstellung eines Sterns (Vordergrund), der bei seinem Vorbeiflug an einem supermassereichen Schwarzen Loch zerrissen wird. (Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)
Wenn sich Sterne zu nahe an ein Schwarzes Loch heranwagen, erzeugt dessen immense Schwerkraft starke Gezeitenkräfte innerhalb des Sternkörpers. Diese Gezeitenkräfte dehnen den Stern vertikal aus und drücken ihn horizontal zusammen, ein Prozess, der als „Spaghettifizierung“ bezeichnet wird.
Diese stellare Nudel windet sich und bildet eine Materiescheibe, die allmählich von dem supermassiven schwarzen Loch aufgefressen wird. Aber Schwarze Löcher sind unordentliche Fresser, und ein Teil der Sternenmaterie wird zu den Polen dieser kosmischen Monster gelenkt. Von dort aus wird ein Teil der Materie als Jets weggeschleudert. Dieser TDE-Prozess wird von unglaublich hellen Lichtemissionen begleitet, die den Astronomen diese fütternden supermassiven schwarzen Löcher ankündigen.
Ein VLBA-Bild von zwei supermassereichen Schwarzen Löchern, von denen eines J0405+3803a Compact Symmetric Object (CSO) ist, das gerade einen Stern verschlingt. (Bildnachweis: H.L. Maness/Grinnell College)Wir denken, dass ein einzelner Stern zerrissen wird, und dann wird die gesamte Energie in Jets entlang der Achse, um die sich das Schwarze Loch dreht, kanalisiert“, erklärt Readhead. „Das riesige Schwarze Loch ist zunächst für uns unsichtbar, und wenn es dann einen Stern verschlingt, bumm! Das Schwarze Loch hat Treibstoff, und wir können es sehen.“
Allerdings ist es nicht irgendein Stern, der die unschöne kosmische Mahlzeit sein kann, die ein Schwarzes Loch als CSO aufweckt. Das Team glaubt, dass ein CSO nur dann entsteht, wenn ein wirklich massereicher Stern von einem supermassereichen Schwarzen Loch in einer TDE zerrissen wird.
„Die TDEs, die wir bisher gesehen haben, dauerten nur ein paar Jahre“, erklärte Ravi. „Wir glauben, dass die bemerkenswerten TDEs, die CSOs antreiben, viel länger andauern, weil die gestörten Sterne sehr groß, sehr massereich oder beides sind.“
Dieses Radiobild zeigt zwei Jets, die aus dem Zentrum von Cygnus A schießen, einer Galaxie, die nicht allzu weit von unserer entfernt ist. In einer neuen Veröffentlichung wird über die Entdeckung eines ähnlichen Objekts in einer viel weiter entfernten, alten Galaxie berichtet. Diese Galaxie hat einen hellen, relatavistischen Strahl, der von ihrem zentralen supermassiven schwarzen Loch ausgeht und auf die Erde gerichtet ist – ein Blazar. (Bildnachweis: NRAO)
Readhead und Kollegen konnten auch ein „kosmisches Familienalbum“ erstellen, das zeigt, wie sich CSOs und ihre Jets im Laufe der Zeit entwickeln. Jüngere CSOs haben kürzere Jets, die näher am zentralen supermassiven Schwarzen Loch liegen, während ältere CSOs längere Jets haben, die sich weiter vom Ort der TDE entfernen.
Das Team stellte fest, dass zwar die große Mehrheit der CSOs aussterben wird, aber 1 % von ihnen langlebige Ereignisse mit ausgedehnten Jets haben wird, wie sie in Cygnus A zu sehen sind, einem fernen supermassiven schwarzen Loch, dessen Jets auf die Erde gerichtet sind, eine Klasse von Objekten, die Blazar genannt wird.
Die Forscher vermuten, dass das zentrale Schwarze Loch bei diesen 1:100 langlebigen Ereignissen durch zusätzliches Gas und Staub gespeist wird, die bei der Verschmelzung seiner Wirtsgalaxie mit einer anderen entstehen.
Für Readhead bestätigen diese Ergebnisse eine Theorie, die er erstmals in den 1990er Jahren aufstellte, als nur drei CSOs entdeckt worden waren. Diese Idee wurde von der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht anerkannt, als sie zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, sollte aber mit diesen neuen Beweisen an Zugkraft gewinnen.
„Die Hypothese geriet fast in Vergessenheit, weil Jahre vergingen, bevor sich die Beobachtungen für TDEs häuften“, so Readhead. „Diese Objekte sind in der Tat eine eigene Population mit einem eigenen Ursprung, und es ist nun an uns, mehr über sie und ihre Entstehung zu erfahren.
„Die Möglichkeit, diese Objekte auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrzehnten anstatt von Millionen von Jahren zu untersuchen, hat die Tür zu einem völlig neuen Laboratorium für die Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher und der vielen unerwarteten und unvorhersehbaren Überraschungen, die sie bergen, geöffnet.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden letzten Monat in drei Studien in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
