(Main) Die Illustration zeigt, wie ein Schwarzes Loch ausbricht (Inset oben) NGC 4945 im Röntgenlicht von XMM-Newton gesehen (Inset unten) dieselbe Galaxie im sichtbaren Licht (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton)
NASA-Wissenschaftler haben ein verblüffendes kosmisches Fossil beobachtet, das beim Ausbruch eines supermassiven schwarzen Lochs vor über 5 Millionen Jahren entstanden ist.
Das Team des Goddard Space Flight Center der Weltraumbehörde nutzte das XMM-Newton-Weltraumteleskop mit Hilfe des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA, um die Röntgenstrahlen zu entdecken, die kalte Gaswolken in der relativ nahen Spiralgalaxie NGC 4945 in 13 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Centaurus (der Zentaur) umreißen.
Das Gas scheint die Galaxie durchdrungen zu haben, als es um das zentrale Schwarze Loch herum explodierte, das eine Masse hat, die etwa 1,6 Millionen Sonnen entspricht, und sich derzeit von der Materie in seiner Umgebung ernährt, um den hellen galaktischen Motor anzutreiben, der als aktiver galaktischer Kern (AGN) bezeichnet wird.
Dieses Gas, das von diesem supermassiven schwarzen Loch angeordnet wurde, ist das Rohmaterial, das kollabiert und Sterne entstehen lässt. Diese Erkenntnisse könnten den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie supermassive Schwarze Löcher, die Milliarden Mal so groß wie die Sonne werden können, ihre Umgebung beeinflussen und die galaktische Entwicklung steuern.
„In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es eine anhaltende Debatte darüber, wie sich Galaxien entwickeln. Wir finden supermassive schwarze Löcher in den Zentren fast aller Galaxien von der Größe der Milchstraße, und eine offene Frage ist, wie viel Einfluss sie im Vergleich zu den Auswirkungen der Sternentstehung haben“, sagte die Goddard-Astrophysikerin und Teamleiterin Kimberly Weaver in einer Erklärung. Die Untersuchung von nahe gelegenen Galaxien wie NGC 4945, von denen wir glauben, dass sie sich in einer Übergangsphase befinden, hilft uns, bessere Modelle darüber zu erstellen, wie Sterne und Schwarze Löcher galaktische Veränderungen bewirken.
Inhaltsübersicht
Eine aktive sterngebärende Galaxie
Während die meisten Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Herzen haben, akkretieren nicht alle dieser kosmischen Titanen Materie, noch wirbelt ihr Gravitationseinfluss die umgebende Materie durcheinander, wodurch die gewaltigen Bedingungen entstehen, die für AGN erforderlich sind.Galaxien wie NGC 4945, die AGNs besitzen, die oft alle Sterne in der gesamten Galaxie zusammen überstrahlen können, werden „aktive Galaxien“ genannt. Doch manchmal ist der dicke Staub in Form eines Donuts oder Torus“ im Zentrum dieser aktiven Galaxien dicht genug, um zumindest einen Teil des Lichts des AGN für Beobachter von außen zu verdecken.
Das Licht ist jedoch nicht die einzige Emission, die von den AGN im Herzen aktiver Galaxien ausgeht. Materie, die nicht dem Schwarzen Loch zugeführt wird, um dort verarbeitet oder „akkretiert“ zu werden, kann durch Magnetfelder zu den Polen des Schwarzen Lochs gelenkt werden. Von hier aus werden diese Teilchen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als Jets ausgestoßen, die sich über Tausende von Lichtjahren erstrecken können. Außerdem können die Teilchen den AGNs in aktiven Galaxien durch starke Winde aus Gas und Staub entkommen.
Die Galaxie NGC 4945, wie sie vom 2,2-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte gesehen wird, wobei die Orte der Sternentstehung in Rosa zu sehen sind und der zentrale AGN durch Staub verdeckt ist (Bildnachweis: ESO)
Das AGN, das von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wird, ist nicht das Einzige, was NGC 4945 von anderen, ruhigeren Galaxien wie der Milchstraße unterscheidet. Diese nahe gelegene Spiralgalaxie ist auch als „Starburst-Galaxie“ klassifiziert, was darauf hindeutet, dass sie einen intensiven Ausbruch von Sternbildung erlebt.
Man schätzt, dass NGC 4945 pro Jahr 18 sonnenähnliche Sterne bildet, dreimal schneller als die Sternbildungsrate der Milchstraße. Diese Sternentstehung findet hauptsächlich im Herzen der Galaxie statt und wird erst dann enden, wenn das Rohmaterial für die Sternentstehung, kühle und dichte Gaswolken, aufgebraucht ist. Dieser Prozess wird voraussichtlich zwischen 10 Millionen und 100 Millionen Jahren dauern.
Entdeckung eines fehlplatzierten kosmischen Fossils in NGC 4945
Bei der Untersuchung von NGC 4945 mit dem XMM-Newton-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entdeckten Weaver und sein Team ein Merkmal, das als Eisen-K-Alpha-Linie bezeichnet wird und auftritt, wenn hochenergetisches Röntgenlicht aus der Materie um die Scheibe des zentralen supermassiven schwarzen Lochs auf kaltes Gas an anderen Stellen der Galaxie trifft.
Die Eisenlinie wird häufig in Galaxien mit einem AGN beobachtet, aber diese Beobachtung hat das Team überrascht, weil sie nicht so nahe am zentralen Schwarzen Loch liegt, wie sie erwartet hatten und wie es die bestehenden Theorien nahelegen.
Die Tatsache, dass NGC 4945 von der Erde aus gesehen am Rande der Galaxie liegt, ermöglichte es den NASA-Wissenschaftlern, die Eisenlinie 32.000 Lichtjahre über die galaktische Ebene und 16.000 Jahre über die geneigte Galaxie zu verfolgen.
„Chandra hat Eisen K-alpha in anderen Galaxien kartiert. In dieser Galaxie half es uns, einzelne helle Röntgenquellen in der Wolke zu untersuchen, um andere mögliche Ursachen als das Schwarze Loch auszuschließen“, sagte Jenna Cann, Mitglied des Teams und Postdoktorandin bei Goddard. „Aber die Linie von NGC 4945 erstreckt sich so weit von ihrem Zentrum entfernt, dass wir das weite Sichtfeld von XMM-Newton brauchten, um sie vollständig zu sehen.
(Links) die in NGC 4945 sichtbare K-alpha-Linie, aufgenommen mit XMM-Newton. (Rechts) Nach dem Herausfiltern anderer Quellen, einschließlich der Röntgenstrahlung des AGN, ist das Signal des Eisens immer noch vorhanden und zeigt den Ort des kalten Gases (Bildnachweis: Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton)
Das Team geht davon aus, dass die Ursache für diese außergewöhnliche Erscheinung ein Teilchenstrahl ist, der vor 5 Millionen Jahren aus dem supermassereichen Schwarzen Loch von NGC 4945 austrat. Sie glauben, dass dieser Strahl wahrscheinlich so ausgerichtet war, dass er durch die Galaxie schoss, anstatt aus der galaktischen Ebene zu entkommen.
Dieser Ausbruch verursachte einen superstarken Wind, der auch heute noch in NGC 4945 weht, und er könnte auch die intensive Starburst-Periode der Galaxie ausgelöst haben.
Das Team wird nun NGC 4945 weiter beobachten und nach weiteren Hinweisen darauf suchen, wie das zentrale Schwarze Loch die Entwicklung der Galaxie beeinflusst. Sie werden auch untersuchen, ob die Röntgenstrahlung aus der Zentralregion kaltes Gas zerstreuen könnte, was schließlich zu einer intensiven Sternentstehung führen und die Starburst-Phase von NGC 4945 auslöschen könnte.
„Es gibt eine Reihe von Hinweisen darauf, dass Schwarze Löcher in einigen Galaxien eine wichtige Rolle bei der Bestimmung ihrer Sternentstehungsgeschichte und ihres Schicksals spielen“, sagte Teammitglied und Goddard-Astrophysiker Edmund Hodges-Kluck. „Wir untersuchen viele Galaxien wie NGC 4945, denn während die Physik bei allen Schwarzen Löchern ziemlich gleich ist, variiert der Einfluss, den sie auf ihre Galaxien haben, stark. “
„XMM-Newton hat uns geholfen, ein galaktisches Fossil zu entdecken, von dem wir nicht wussten, dass wir danach suchen sollten – aber es ist wahrscheinlich nur das erste von vielen.“ fuhr Hodges-Kluck fort.
Weaver präsentierte die Ergebnisse des Teams auf der 243. Tagung der American Astronomical Society in New Orleans, Louisiana, am Mittwoch, den 11. Januar.
