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Eine künstlerische Darstellung des supermassiven schwarzen Lochs, das einen starken Jet ausstößt (Bildnachweis: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

Neue Forschungsergebnisse bestätigen den Zusammenhang zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und dem galaktischen Tod durch das Aufhören der Sternentstehung – wenn auch auf unerwartete Weise.

Wissenschaftler wissen schon seit einiger Zeit, dass es zwei Haupttypen von Galaxien im Universum gibt. Es gibt solche, in denen sich schnell Sterne bilden, und solche, die „ruhig“ sind, weil sie nur sehr wenige Sterne hervorbringen. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, ist ein Beispiel für eine ruhige Galaxie – dennoch gibt es ein kleines Rätsel. Die Wissenschaftler waren sich bisher nicht ganz sicher, wie eine Galaxie von der Sternentstehung zur Ruhe kommt. Das heißt, bis jetzt.

Man nimmt an, dass supermassive schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder manchmal Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, in den Herzen aller großen Galaxien schlummern. Es wurde auch vermutet, dass diese Hohlräume hinter dem Prozess stehen, der schwarze Löcher in den Zustand der Passivität versetzt, aber der schlagende Beweis für diese Idee hat sich nicht gezeigt. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Tao Wang von der Universität Nanjing hat diesen Beweis jedoch möglicherweise zum ersten Mal erbracht. Sie fanden einen Zusammenhang zwischen der Masse eines supermassereichen Schwarzen Lochs und der Menge an kaltem Gas, dem Baumaterial für neue Sterne, das aus Galaxien herausgepresst wird.

Je größer das supermassive schwarze Loch ist, desto mehr Gas wird aus der Galaxie entfernt, was den „Tod“ dieser Galaxie durch die Unterdrückung der Sternentstehung verursacht.

„Seit den 1970er Jahren deuten sowohl Theorien als auch Simulationen darauf hin, dass supermassereiche Schwarze Löcher einen starken Einfluss auf das kühle Gas und die Sternentstehung ihrer Wirtsgalaxien haben sollten; die Beobachtungen lassen dies jedoch im Dunkeln“, so Wang gegenüber kosmischeweiten.de.

Verschiedene Studien haben gezeigt, so Wang, dass selbst die aktivsten Schwarzen Löcher oder „Quasare“ nicht mit einer Verringerung der Sternentstehungsraten oder des Gehalts an molekularem Gas verbunden zu sein scheinen.

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Wang fügte hinzu, dass diese Beobachtungen auch vielen traditionellen Modellen des Energieflusses in eine umgebende Galaxie oder der „Rückkopplung“ widersprechen, die aus Regionen stammen, die als aktive galaktische Kerne (AGNs) bezeichnet werden und supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Modelle gehen davon aus, dass AGN-Rückkopplungen einen starken Einfluss auf die sie umgebenden Wirtsgalaxien ausüben.

Wang glaubt, dass dieser Widerspruch dazu geführt hat, dass viele Astronomen die Rolle der supermassiven schwarzen Löcher bei der Bildung massereicher Galaxien durch Sternentstehung anzweifeln. „Andererseits haben Galaxien mit massereicheren Schwarzen Löchern tendenziell niedrigere Sternentstehungsraten. Das ist für uns etwas rätselhaft“, so Wang weiter.

Das wichtigste Ergebnis des Teams war jedoch, dass die Masse der Schwarzen Löcher tatsächlich die grundlegende Größe ist, die den Gehalt an kühlem Gas in Galaxien bestimmt.

Wie töten supermassive schwarze Löcher Galaxien?

Teammitglied David Elbaz von der Université Paris Cité erklärt gegenüber kosmischeweiten.de, dass passive Galaxien mit geringer Sternentstehung entweder kein oder nur sehr wenig kühles Gas haben. Das ist anders als bei sternbildenden Galaxien, die viel von dieser Substanz haben.

„Es wird daher allgemein angenommen, dass der Unterschied zwischen beiden Populationen auf das Vorhandensein oder Fehlen von Gasreservoirs zurückzuführen ist“, so Elbaz. „Der Forscher fügte hinzu, dass passive Galaxien möglicherweise massereicher sein könnten, was Beobachtungen nahelegen, oder sie wurden irgendwie daran gehindert, kühle Gasreservoirs zu sammeln. Im ersten Fall ist das Gas in der Galaxie vielleicht zu spärlich, während im zweiten Fall vielleicht etwas das gesamte kühle Gas für die Sternentstehung weggenommen hat. Und dieses „Etwas“ könnte ein zentrales supermassives Schwarzes Loch sein.

Doch ein Rätsel bleibt bestehen. Schwarze Löcher nehmen einen relativ winzigen Platz in den Zentren ihrer Wirtsgalaxien ein, während sich das kühle Gas, aus dem Sterne entstehen, über die gesamte Galaxie erstreckt.

„Es ist bekannt, dass Schwarze Löcher eine enorme Menge an Gravitationsenergie bündeln, genug, um das Gas um sie herum zu beeinflussen, aber das Rätselhafte ist nicht die Frage der Energie, sondern die Frage, wie das funktioniert“, sagte Elbaz. „Stellen Sie sich vor, Sie schießen mit einer Pistole auf eine Wolke; die Energie des Geschosses kann so groß sein, wie Sie wollen, und der Wolke macht das nichts aus. Aber wir sehen weniger Gaswolken, wo es schwarze Löcher gibt.“

Die Masse des supermassiven schwarzen Lochs einer Galaxie beträgt etwa ein Tausendstel der Masse der Sterne in der dicht gruppierten Ansammlung von Sternen, dem galaktischen Bulge, dieser Galaxie. Dies sind Regionen, in denen die Sternentstehung schon seit langem zum Erliegen gekommen ist.

„Es wurde daher postuliert, dass Schwarze Löcher Galaxien beeinflussen könnten, indem sie sie daran hindern, neue Sterne zu bilden“, so Elbaz. „Aber wie? Bis jetzt gab es keine direkten Beweise für den Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Entwicklung von Galaxien.“

(Links) Das Schwarze Loch im Herzen von M87 ist in polarisiertem Licht zu sehen. (Rechts) das supermassive Schwarze Loch Sgr A* in der Milchstraße in polarisiertem Licht (Bildnachweis: EHT Collaboration)

Um dieses Rätsel zu lösen, analysierten Wang, Elbaz und Kollegen 69 Galaxien. Sie untersuchten die Masse der Sterne dieser Galaxien, die Massen ihrer zentralen supermassiven schwarzen Löcher und die Massen ihrer Reservoirs an kühlem atomarem Wasserstoffgas, dem Hauptelement, das an der Entstehung von Sternen beteiligt ist.

„Das Reservoir an atomarem Wasserstoffgas ist in massereichen Galaxien geringer, was nicht sehr überraschend ist, da passive Galaxien hauptsächlich unter den massereichsten Galaxien zu finden sind“, so Elbaz. „Neu ist jedoch, dass wir auch untersuchen, wie die Gasreservoirs mit der Masse des galaktischen Schwarzen Lochs variieren. Wir zeigen, dass das Gasreservoir im Vergleich zur Masse des Schwarzen Lochs mit einer viel besseren Korrelation abnimmt.“

Die Masse der Galaxien erklärt also wahrscheinlich nicht, warum ruhige Galaxien weniger Sterne bilden; vielmehr ist es wahrscheinlich die Masse des Schwarzen Lochs im Inneren, die die Sternbildungsrate einer Galaxie bestimmt.

„Je massiver das Schwarze Loch in einer Galaxie ist, desto kleiner ist sein Reservoir an atomarem Gas“, sagte Elbaz.

Der Forscher fügte hinzu, dass das kalte Gas, das die Sternentstehung in den Galaxien fördert, aus Materie stammt, die aus dem intergalaktischen Raum, auch bekannt als der Raum zwischen den Galaxien, in die Galaxien fällt oder „akkretiert“. Die Analyse des Teams zeigt, dass das Volumen des kalten Gases in diesen galaktischen Reservoirs mit zunehmender Masse der Schwarzen Löcher abnimmt. „Dies deutet darauf hin, dass Schwarze Löcher die Macht haben, Galaxien daran zu hindern, Materie von außen aufzunehmen“, so Elbaz.

Eine Spiralgalaxie mit einem hellen AGN und großen Mengen an kühlem Gas (Bildnachweis: NASA, ESA und D. Thilker (The Johns Hopkins University), Bildverarbeitung: Gladys Kober (NASA/Katholische Universität von Amerika))

Elbaz erklärte, dass es zwei Möglichkeiten gibt, die Entdeckung eines Zusammenhangs zwischen der Masse eines supermassereichen Schwarzen Lochs und der Möglichkeit, dass diese Galaxie noch aktiv Sterne bildet, zu interpretieren.

„Erstens könnte das Schwarze Loch Gas aus der Galaxie herausschleudern, aber diese Option hat ein Problem: Wir sehen viele Galaxien, in denen trotz eines aktiven Schwarzen Lochs Sterne entstehen“, sagte er. „Zweitens können die Strahlen eines aktiven Schwarzen Lochs das umgebende intergalaktische Gas aufheizen und verhindern, dass es die Galaxie ernährt. Dies wird als Galaxienverhungern bezeichnet.“

Dieser zweite Mechanismus ist die von den Forschern favorisierte Lösung – es ist auch derjenige, den zunehmende numerische Simulationen des Universums zu favorisieren scheinen. Allerdings fehlen dem Team Beobachtungsdaten, um diese Hypothese zu bestätigen.

„Da die meisten früheren Studien keine direkte Signatur der Verbindung zwischen schwarzen Löchern und Gasreservoiren gefunden haben, die nicht anders erklärt werden konnte, kam das Hauptergebnis dieser Studie überraschend“, schloss Elbaz. „Und das, obwohl sie eine logische Erklärung für das Verhalten von Galaxien liefert, das wir im Universum beobachten.“

Elbaz erklärte, dass Galaxien eine weitere Gaskomponente haben – dichteres molekulares Gas – und dass das Team sich diesem Thema als nächstes zuwenden wird.

Er erklärte, dass der nächste Schritt des Teams darin bestehen wird, die Analyse beider Gasarten zu kombinieren. Dies sollte es ihnen ermöglichen, zu bestimmen, wie viel kosmisches Gas vor relativ kurzer Zeit in Galaxien gefallen ist. Die Abhängigkeit der Sternentstehung und damit des Galaxienwachstums von dichtem molekularem Gas kann dann mit den Massen der supermassereichen schwarzen Löcher verglichen werden.

„Dies könnte mit Hilfe des ALMA-Observatoriums (Atacama Large Millimeter Array) geschehen“, so Elbaz.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden letzte Woche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.