Ein Bild der zentralen Region der Spiralgalaxie NGC 4151, die ein supermassives Schwarzes Loch beherbergt (Bildnachweis: Röntgenstrahlen, NASA/CXC/CfA/J.Wang et al.; optisch, Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma/Jacobus Kapteyn Telescope; Radio, NSF/NRAO/VLA)
Die Woche der Schwarzen Löcher ist in vollem Gange, und zur Feier des Tages hat die NASA atemberaubende Beobachtungen des Herzens einer fernen Spiralgalaxie veröffentlicht – sowie des supermassereichen Schwarzen Lochs, das sich in diesem Herzen befindet.
Die Beobachtungen wurden von der X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) unter der Leitung der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und mit Unterstützung der NASA durchgeführt. Sie zeigen das Zentrum der Spiralgalaxie NGC 4151.
Diese etwa 43 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie (und ihr supermassereiches Schwarzes Loch, dessen Masse auf 20 Millionen Sonnen geschätzt wird) ist dank der Hinzufügung von Radiowellen in leuchtenden Rottönen und hellen Blautönen zu sehen. Diese Ergänzung stammt aus Daten des Very Large Array (VLA) und der Isaac Newton Group of Telescopes.
Doch hinter den XRISM-Beobachtungen (ausgesprochen „crism“) steckt mehr als ihr ästhetischer Wert. Das Röntgenteleskop war in der Lage, Fingerabdrücke von Eisen im Aktiven Galaktischen Kern (AGN) dieser Galaxie zu erkennen, und das könnte dazu beitragen, das Schicksal der Materie zu bestimmen, die um das schwarze Monsterloch herumwirbelt.
„Das XRISM-Instrument Resolve hat ein detailliertes Spektrum des Bereichs um das Schwarze Loch aufgenommen“, sagte Brian Williams, NASA-Wissenschaftler für das XRISM-Projekt am Goddard Space Flight Center, in einer Erklärung. „Die Spitzen und Senken sind wie chemische Fingerabdrücke, die uns sagen können, welche Elemente vorhanden sind und Hinweise auf das Schicksal der Materie geben, wenn sie sich dem Schwarzen Loch nähert.
Inhaltsübersicht
Ein supermassereiches Schwarzes Loch
Wie alle AGNs leuchtet das zentrale Triebwerk von NGC 4151 hell, weil es von einem supermassiven schwarzen Loch angetrieben wird, das sich aktiv an der umgebenden Materie labt.
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Nicht alle supermassiven Schwarzen Löcher sind jedoch so gierig. Sagittarius A* (Sgr A*) im Herzen unserer Galaxie, der Milchstraße, ernährt sich zum Beispiel so spärlich, dass es, wäre es ein Mensch, alle 1 Million Jahre von einem einzigen Reiskorn leben würde.
Bei einem AGN hingegen bilden Gas und Staub, die das monströse Schwarze Loch in seinem Inneren ernähren, eine abgeflachte Wolke, eine so genannte Akkretionsscheibe, um das Schwarze Loch selbst. Die immense Schwerkraft des Schwarzen Lochs erzeugt in dieser Akkretionsscheibe auch starke Gezeitenkräfte, die die Scheibe aufheizen und sie hell leuchten lassen.
Außerdem kann Materie, die nicht in den Schlund des Schwarzen Lochs fällt, durch starke Magnetfelder zu den Polen des Objekts gelenkt werden, die diese Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie als Zwillingsstrahlen ausstoßen, einen von jedem Pol. Diese Situation wird von einem Ausbruch elektromagnetischer Strahlung begleitet, die in Kombination mit den Emissionen der Akkretionsscheibe einen AGN oft heller macht als das Licht aller Sterne in der Galaxie um ihn herum zusammen.
Eine Illustration, die die Anatomie des supermassiven schwarzen Lochs und des AGN im Herzen von NGC 4151 zeigt. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
Das AGN von NGC 4151 ist besonders hell, selbst für eine so aktive Region einer Galaxie, und weist ein hohes Maß an Variabilität auf. Dies und die Tatsache, dass es sich im Herzen einer der nächsten bekannten aktiven Galaxien befindet, macht das Schwarze Loch von NGC 4151 zu einem idealen Untersuchungsobjekt.
Das AGN wurde bereits mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA untersucht, um mehr über die Wechselwirkung zwischen dem supermassereichen schwarzen Loch und seiner Umgebung zu erfahren. Das Verständnis der Dynamik dieser beiden Dinge kann Aufschluss darüber geben, wie sich das Wachstum dieser kosmischen Titanen auf das Wachstum der sie umgebenden Galaxien auswirkt.
XRISM zählt Kalorien
XRISM hat einen besonderen Vorteil gegenüber Hubble, wenn es um die Untersuchung des AGN von NGC 4151 geht. Mit Hilfe seines Resolve-Instruments, das das Universum mit nur 36 Pixeln untersucht, konnte XRISM das Lichtspektrum des AGN rekonstruieren. Da chemische Elemente und Verbindungen Licht bei charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren, hinterlassen sie ihre „Fingerabdrücke“ in solchen Spektren. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler im Resolve-Spektrum aus dem Herzen von NGC 4151 die Energien bestimmen, die mit diesem AGN-Peak direkt unterhalb der charakteristischen Emissionslinie des Elements Eisen verbunden sind.
Wissenschaftler haben die Theorie aufgestellt, dass ein Großteil der Energie von AGNs durch Röntgenstrahlen entsteht, die von Regionen heißer und aufflackernder Materie in der Akkretionsscheibe in der Nähe ihres zentralen Schwarzen Lochs ausgehen. Wenn diese Röntgenstrahlen von den kühleren und dichteren Regionen der gleichen wirbelnden Materiewolke reflektiert werden, wird angenommen, dass sie das Eisen in diesen Regionen zum Aufflackern bringen – was in der Tat die Ursache für diese Entdeckung ist.
Das bedeutet, dass die Entdeckung von Eisen und einer Röntgenspitze um dieses supermassereiche Schwarze Loch ein klareres Bild von den Phänomenen zeichnet, die in solchen ausbrechenden Scheiben und Flecken zu finden sind.
Ein Röntgenpeak bei etwa 6,5 KeV in der Nähe der Emissionslinie von Eisen und ein Röntgental bei 7 KeV. (Bildnachweis: Spectrum: JAXA/NASA/XRISM Resolve. Hintergrund: Röntgenstrahlen, NASA/CXC/CfA/J.Wang et al.; optisch, Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma/Jacobus Kapteyn Telescope; Radio, NSF/NRAO/VLA)
Das Spektrum des AGN im Herzen von NGC 4151 zeigt auch Absorptionslinien, die für Eisen in seiner Umgebung charakteristisch sind. Es hat den Anschein, dass das Eisen in diesen Regionen eher absorbiert als emittiert wird, weil sie kühler sind als die aufflackernden Bereiche der Akkretionsscheibe in der Nähe des Schwarzen Lochs.
Alle diese Strahlung ist etwa 2.500 Mal energiereicher als das Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der einzigen Art von Licht, die unsere Augen sehen können.
Auch wenn sich dieses spezielle Ergebnis von XRISM auf Eisen konzentriert, so ist dies bei weitem nicht das einzige Element, das das Röntgenteleskop unterscheiden kann. Der Satellit kann je nach Quelle auch die Elemente Schwefel, Kalzium, Argon und andere in AGNs (sowie in anderen Himmelskörpern) nachweisen.
Jedes dieser Elemente kann den Wissenschaftlern einen anderen Aspekt der Geschichte der Himmelskörper verraten, die sie umgeben oder sogar aus denen sie bestehen. Das macht XRISM zu einem wichtigen Instrument für die Zukunft der Astronomie und für die Entschlüsselung des Röntgenhimmels.
