Eine Illustration der kosmischen Winde, die von einem supermassiven schwarzen Loch ausgehen (Bildnachweis: NASA/CXC und Nahks Tr’Ehnl)
Ein heller Quasar, der von einem supermassiven schwarzen Loch angetrieben wird, stößt Strahlung aus, die Gaswolken in seiner Umgebung wegdrückt und so Winde erzeugt, die Geschwindigkeiten von rund 58 Millionen Kilometern pro Stunde erreichen. Oh, und der Quasar ist auch fast so alt wie das Universum selbst.
Die von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Astronomen der University of Wisconsin-Madison gemachte Entdeckung zeigt, welche Rolle die Fütterung supermassereicher schwarzer Löcher in den Herzen sogenannter „aktiver galaktischer Kerne“ (AGNs) bei der Gestaltung der sie umgebenden größeren Galaxien spielen kann.
Die Forscher gelangten zu ihren Erkenntnissen anhand von acht Jahren Daten über den Quasar SBS 1408+544, der sich in 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung im Sternbild Bootes befindet. Diese Daten wurden vom Black Hole Mapper Reverberation Mapping Project gesammelt, das von der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) durchgeführt wird. Das Licht von SBS 1408+544 ist seit 13 Milliarden Jahren auf dem Weg zur Erde; das ist fast so lange, wie das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum existiert.
Während man annimmt, dass supermassereiche schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder manchmal Milliarden von Sonnen entspricht, im Herzen der meisten Galaxien existieren, treiben nicht alle von ihnen Quasare an. Schwarze Löcher in Quasaren sind von Materie in einer abgeflachten, wirbelnden Wolke, einer so genannten „Akkretionsscheibe“, umgeben, die ihnen nach und nach Material zuführt.
Der immense Gravitationseinfluss des zentralen supermassiven Schwarzen Lochs eines Quasars verursacht Reibung und Gezeitenkräfte, die die Materie der Akkretionsscheibe aufheizen, so dass sie intensiv leuchtet. Darüber hinaus wird Materie, die nicht dem supermassiven Schwarzen Loch zugeführt wird, durch starke Magnetfelder zu den Polen des kosmischen Titanen gelenkt, wo sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als hoch kollimierte Jets herausgeschleudert wird. Diese doppelten Strahlen von jedem Pol des Schwarzen Lochs werden auch von elektromagnetischer Strahlung begleitet.
Diese Strahlung macht einige Quasare nicht nur heller als das Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien zusammen, sondern dieses Licht formt auch diese Galaxien und bietet den Astronomen einen nützlichen Maßstab, um den Einfluss schwarzer Löcher auf Galaxien im Allgemeinen zu messen.
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„Das Material in dieser [Akkretions-] Scheibe fällt ständig in das Schwarze Loch, und die Reibung dieses Sogs heizt die Scheibe auf und macht sie sehr, sehr heiß und sehr, sehr hell“, sagte die Teamleiterin und Astronomieprofessorin der University of Wisconsin-Madison, Catherine Grier, in einer Erklärung. „Diese Quasare sind sehr hell, und da es eine große Temperaturspanne vom Inneren bis zu den fernen Teilen der Scheibe gibt, deckt ihre Emission fast das gesamte elektromagnetische Spektrum ab.“
Ein Bild des von einem supermassiven schwarzen Loch angetriebenen Quasars SBS 1408+544 im Sternbild Bootes (Bildnachweis: Jordan Raddick und die SDSS-Kollaboration)
Das helle Licht dieses speziellen Quasars ermöglichte es Grier und Kollegen, Winde aus gasförmigem Kohlenstoff zu verfolgen. Dies geschah durch die Messung von Lücken im breiten Spektrum der vom Quasar ausgesandten elektromagnetischen Strahlung, die auf die Absorption von Licht durch Kohlenstoffatome hinwiesen.
Das Team fand heraus, dass bei jeder Messung dieses Absorptionsspektrums über 130 Beobachtungen von SBS 1408+544 eine Verschiebung von der richtigen Position des Kohlenstoff-Absorptions-„Schattens“ auftrat. Diese Verschiebung nahm im Laufe der Zeit zu, da die Strahlung des Quasars Material aus seiner Umgebung verdrängte. Dieses Material bildete die Winde des supermassiven Schwarzen Lochs, die Geschwindigkeiten von bis zu 58 Millionen Kilometern pro Stunde (36 Millionen Meilen pro Stunde) erreichten, was etwa dem 45.000-fachen der Schallgeschwindigkeit entspricht.
„Diese Verschiebung zeigt uns, dass sich das Gas schnell bewegt, und zwar immer schneller“, sagt Robert Wheatley, Co-Leiter des Teams und Astronomie-Absolvent der University of Wisconsin-Madison. „Der Wind beschleunigt sich, weil er von der Strahlung, die von der Akkretionsscheibe abgestrahlt wird, angetrieben wird.“
Das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße Sgr A*, das im polarisierten Licht zu sehen ist, ist ein ruhender Riese (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Wissenschaftler haben schon früher vermutet, dass sie beschleunigende Winde in supermassiven Schwarzen Löchern entdeckt haben, aber dies ist das erste Mal, dass diese Beobachtung durch konkrete Beweise untermauert wurde. Solche kosmischen Winde sind für Astronomen von großem Interesse, da das Gas, das sie umherschieben, als Baustein für Sterne dient. Das heißt, wenn die Winde der Schwarzen Löcher stark genug sind, können sie die Sternentstehung unterbrechen und damit ihre Wirtsgalaxien „töten“. Sie können auch den zentralen supermassereichen Schwarzen Löchern den Treibstoff entziehen und ihre Tage als Quasarmaschinen beenden.
Das könnte eine aktive Galaxie in eine ruhige Galaxie wie die Milchstraße verwandeln, die nicht nur sehr langsam Sterne bildet, sondern auch ein „schlafendes Riesen“-Schwarzes Loch in ihrem Herzen hat. Sagittarius A* (Sgr A*), unser Schwarzes Loch, ist von so wenig Materie umgeben, dass seine Ernährung mit Gas und Staub der eines Menschen entspricht, der alle Millionen Jahre ein Reiskorn isst. Alternativ könnten die Winde supermassereicher Schwarzer Löcher Gas komprimieren, anstatt es wegzudrücken, was in ihren Wirtsgalaxien neue Sternbildungsschübe auslösen würde.
Schwarze Lochwinde, wie sie das Team beobachtet hat, könnten sich auch über die Grenzen ihrer Galaxien hinaus ausbreiten und benachbarte Galaxien und schließlich die benachbarten supermassereichen schwarzen Löcher im Herzen dieser Galaxien beeinflussen.
„Supermassive Schwarze Löcher sind groß, aber sie sind wirklich winzig im Vergleich zu ihren Galaxien“, sagte Grier. „Das bedeutet nicht, dass sie nicht miteinander ‚reden‘ können, und das ist eine Möglichkeit, wie das eine mit dem anderen reden kann, die wir berücksichtigen müssen, wenn wir die Auswirkungen dieser Art von Schwarzen Löchern modellieren.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Juni in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
