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Extrem massereiche Schwarze Löcher und ihre Galaxien


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 10.09.2021

KURZBERICHTE

Artikelbild für den Artikel "Extrem massereiche Schwarze Löcher und ihre Galaxien" aus der Ausgabe 10/2021 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 10/2021

Galaxie mit Sternströmen: Bei der Akkretion von Gas aus der Umgebung des zentralen, extrem massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie kommt es in dieser künstlerischen Darstellung zu Materieströmen mit Sternentstehung, die senkrecht zur Galaxienebene in beide Richtungen aus dem Zentralbereich entweichen. Diese Ströme können das gesamte zukünftige Erscheinungsbild dieser Galaxie grundlegend beeinflussen.

Nach aktuellem Wissensstand gehen Forscher davon aus, dass sich in den Zentren nahezu jeder Galaxie ein Schwarzes Loch mit der Masse von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen befindet. Trotz ihrer enormen Masse ist der Einfluss dieser Gebilde auf einen typischen Radius von bis zu zehn Parsec, rund 30 Lichtjahren, beschränkt. Daher haben selbst diese massereichen Objekte keine signifikante Bedeutung für die jeweiligen Galaxien, in denen sie sich befinden. Dies kann sich aber ändern, sobald die Schwarzen Löcher Materie mit einer jährlichen Rate von einigen Sonnenmassen akkretieren (ansammeln). Astrophysikerinnen und Astrophysiker sprechen dann von aktiven Schwarzen Löchern, welche die grundlegende Komponente eines aktiven galaktischen Kerns (englisch: active galactic nucleus, AGN) bilden.

Auf Grund physikalischer, zum Teil noch ungeklärter Prozesse, fällt nicht die gesamte Materie in die ...

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... Singularität. Vielmehr kann ein beachtlicher Teil in Form von Materie strömen bis weit in die Galaxie hinaus transportiert werden. Dies beeinflusst ganz wesentlich die Sternentstehungsrate im gesamten galaktischen System (siehe »Galaxie mit Sternströmen«). Auch wenn prinzipiell eine positive Einwirkung in Form von einer gesteigerten Sternentstehungsrate möglich ist, gehen Forscher wegen der Wucht dieser Prozesse oftmals vom Gegenteil aus. Sie erachten diese Vorgänge nämlich als eine Möglichkeit, die Sternentstehung innerhalb einer Galaxie zum Erliegen zu bringen. Ferner könnte dieser Austausch von Materie die beobachteten Zusammenhänge zwischen den Massen der Schwarzen Löcher und zahlreichen anderen galaktischen Parametern erklären. Dazu zählen die Geschwindigkeitsdispersion der zentralen Sterne, die Gesamtleuchtkraft und die Masse der spheroidalen Komponente. Je nach Konfiguration und Stärke der Akkretion, die von den Forschenden meistens durch die Eddington-Grenze beschrieben wird, treten diese Materie ströme in Form von Jets oder deutlich häufiger als Winde ionisierten Gases auf. An der Eddington-Grenze ist der nach außen gerichtete Strahlungsdruck auf den Akkretionsfluss gerade so groß wie der nach innen gerichtete Gravitationsdruck (siehe SuW 3/2018, S. 18). Die Akkretion sollte dann zum Erliegen kommen.

Bezüglich der ionisierten Gaswinde publizierten Sibasish Laha vom NASA Goddard Spaceflight Center in Greenbelt und der University of Maryland in Baltimore, USA, und sein Team in ihrer in »Nature Astronomy« erschienenen Arbeit einen Überblick über den aktuellen Wissensstand. Darin thematisieren sie auch die offenen Fragen und die Möglichkeiten, die neue geplante Teleskope wie ATHENA, Arcus, XRISM oder Lynx in naher Zukunft eröffnen werden.

Aus den Galaxienzentren strömende Materiewinde werden in den meisten Fällen mittels Absorptionslinien nachgewiesen, die auf Grund des Dopplereffekts zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben sind und im Röntgen- und UV-Bereich des Spektrums auftauchen. Rund 50 bis 65 Prozent der in diesem Wellenlängenbereich untersuchten AGN weisen solche Spektrallinien auf, die ihren Ursprung in den am häufigsten im Universum vorkommenden Elementen haben. Dazu zäh ­ len unter anderem Wasserstoff, Helium , Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und E i­ sen. Um die physikalischen Vorgänge und die Auswirkungen dieser Materieströme zu quantifizieren, bedarf es zumindest e i­ ner genauen Bestimmung der Säulendich ­ te (Anzahl der Teilchen entlang der Sichtl i­ nie innerhalb einer gewissen Fläche), des Ionisationsgrads und der Strömungsg e­ schwindigkeit, die bis zu 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen kann.

Die Klassifizierung der Materieströme

Abhängig vom Grad der Ionisation b e­ sitzen die Materieströme unterschied ­ liche Ursprungsorte innerhalb des AGN und verschiedene antreibende Mechani s­ men. Dies hat Auswirkungen darauf, w ie stark sich die Materieströme auf die ge ­samte Galaxie auswirken. Neben der physikalischen Beschreibung solcher Winde ist auch die Bestimmung der dominierenden Prozesse relevant. In den meisten Fällen sind Strahlungsdruck oder magnetohydro dynamische Vorgänge, also Prozesse in von magnetischen und elektrischen Feldern durchdrungenem Plasma (ionisierte Gase), der vorherrschende Mechanismus. Zusätzlich kann aber auch Röntgenstrahlung ein Medium derart aufheizen, dass es in ihm infolge eines Druckgradienten zur Expansion kommt und dementsprechend ein Wind induziert wird.

Diese Materiewinde werden je nach untersuchtem Spektralbereich und abhängig von den physikalischen Eigenschaften kategorisiert (siehe »Vier Klassen von Materiewinden«), wobei Absorptionslinien im Ultravioletten gemäß ihrer Linienbreite klassifiziert werden. Forschende unterscheiden hierbei zwischen vier Fällen: ó BALs sind Materiewinde mit breiten Spektrallinien (englisch: broad absorption lines), die eine charakteristische Strömungsgeschwindigkeit von 10 000 bis 60 000 Kilometern pro Sekunde aufweisen (siehe »Vier Klassen von Materiewinden«). ó NALs genannte Materiewinde zeigen schmale Absorptionslinien (englisch: narrow absorption lines), die eine deutlich geringere typische Geschwindigkeit von 100 bis 1000 Kilometern pro Sekunde widerspiegeln.

Auf Grund der in ihnen enthaltenen kinetischen Energie sprechen Theoretiker anhand ihrer Modelle insbesondere den Materieströmen, die sich in BALs manifestieren, eine bedeutende Rolle zu. Die Stärke dieser Linien kann sich innerhalb von Jahren oder noch kürzeren Zeitskalen erheblich ändern. Dies deutet darauf hin, dass die Absorption und damit die Entstehung dieser Spektrallinien vergleichsweise nah am Schwarzen Loch geschieht. Während BALs jedoch hauptsächlich in sehr leuchtstarken AGN aufgefunden werden, gilt dies nicht für NALs. Wegen ihrer geringen Geschwindigkeiten ist der Einfluss von NAL-Winden auf großen galaktischen Ska­

Vier Klassen von Materiewinden

Vom zentralen, extrem massereichen Schwarzen Loch können verschiedene Klassen von Winden entweichen: ultraschnelle Winde (UFOs), Winde mit breiten Absorptionslinien (BALs), so genannte warme Absorber (WAs) und Winde mit schmalen Absorptionslinien (NALs). Zusätzlich kann auch ein energiereicher Jet auftreten, der jedoch nicht zwangsweise mit den Materiewinden in Zusammenhang stehen muss. Trotz Überschneidungen in manchen Parameterwerten hängt die Beschaffenheit des vorherrschenden Materiestromes von der Natur des jeweiligen AGN ab. Daher können die globalen Auswirkungen auf die Galaxie stark variieren.

len eher zu vernachlässigen. Dennoch können diese Materieströme zu einem Austausch von Materie innerhalb der inneren 100 Parsec in einer Galaxie führen. ó WAs sind Winde mit Absorptionslinien niedrigen Ionisationsgrads, die als warme Absorber (englisch: warm absorbers) bezeichnet werden. Diese Winde haben relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeiten von 100 bis 2000 Kilometern pro Sekunde und ähneln den NALs, werden jedoch im niederenergetischen Röntgenbereich beobachtet. Wie bei den NALs ist ihr Einfluss überschaubar, auch wenn wiederum eine Durchmischung der Materie innerhalb der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs berücksichtigt werden sollte. Im Gegensatz zu NALs werden die WAs wie auch die BALs meistens mit AGN in Verbindung gebracht, die keine Emission im Radiobereich aufweisen.

Künftige Röntgen- und UV-Teleskope sollen die Parameter dieser Materieströme erkunden.

UFOs werden ultraschnelle Winde (englisch: ultrafast outflows) genannt, die sich dank der hohen Empfindlichkeit und spektralen Auflösung der Weltraumteleskope Chandra, XMM-Newton und Suzaku im hochenergetischen Bereich der Röntgenstrahlung bei zwei bis zehn Kiloelektronvolt als Winde hochionisierten Gases beobachten lassen. Mit Geschwindigkeiten, die bis zu 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit (rund 100 000 Kilometer pro Sekunde) betragen, besitzen diese Materieströme eine enorme kinetische Energie, die beträchtliche Auswirkungen auf die gesamte Entwicklung der Galaxie haben. Auch, wenn ihr genauer Ursprung noch ungeklärt ist, treten diese Hochgeschwindigkeits winde mehrheitlich in leuchtkräftigen AGN auf. Auf Grund ihrer potenziellen Eigenschaft, das Erscheinungsbild einer Galaxie zu formen, sind für zukünftige Untersuchungen die Öffnungswinkel dieser Winde, sowie das Vorkommen in AGN mit hohen Rotverschiebungen im Bereich von z = 1 bis 3, von hohem Interesse.

Das Gesamtbild, offene Fragen und die Zukunft

Neben diesen relativ gemäßigten Materieströmen können auch gewaltige Jets auftreten. Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Modi von Ausflüssen ist nahezu unbekannt. Die zum Teil signifikanten Überschneidungen in den charakteristischen Parametern Ionisationsgrad, Säulendichte und Strömungsgeschwindigkeit deuten auf Zusammenhän ge zwischen all diesen verschiedenartigen Materiewinden hin (siehe »Physikalische Eigenschaften von AGN-Winden«). Die Beobachtungen sind einigen Spektralbereichen noch nicht empfindlich genug, um direkte Zusammenhänge zu bestimmen. Neuerdings sehen Forschende die BALs (breite Spektrallinien) nur als Teil der UFOs (ultraschnelle Winde) an, welche die niedrigsten Ionisationsgrade aufweisen. Weiterhin vermuten sie, dass WAs (Absorptionslinien niedrigen Ionisationsgrads) einerseits mit NALs (schma le Absorptionslinien) als auch mit UFOs zusammenhängen. Insbesondere im letzteren Fall werden WAs als das fehlende Bindeglied zwischen UFOs und Materieströmen molekularen Gases vermutet.

Vieles ist unklar – so auch die genauen Ursprungsorte der jeweiligen Materieströme, die zu Grunde liegenden Mechanismen und die Wechselwirkung des ausströmenden Materials mit dem interstellaren Medium der Galaxie. Ebenso wesentlich ist die Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs zwischen der Akkre tion, deren Stärke und einer möglichen Abdunklung des zentralen Schwarzen Lochs mit diesen Winden.

Forscherinnen und Forscher hoffen, in Zukunft all diese offenen Fragen mit der kommenden Generation von Teleskopen beantworten zu können. Sowohl die spektrale Auflösung, als auch das Lichtsammelvermögen werden bei den kommenden Instrumenten um bis zu einem Faktor zehn leistungsfähiger sein. Neben solchen neuen Technologien bedarf es dann umfangreicherer Beobachtungen, die statistisch robuste Analysen erlauben. Des Weiteren sind detailreichere und komplexere Simulatio nen erforderlich, welche die spektralen Merkmale im UV- und Röntgenbereich präziser vorhersagen.

Es steht außer Frage, dass aktive, extrem massereiche Schwarze Löcher in Galaxienzentren Materieströme hervorrufen können. Diese Ströme sind imstande, maßgeblich auf die galaktische Entwicklung einzuwirken. Mit dem Aufkommen neuer Teleskope erhoffen sich die Forschenden, endlich zu verstehen, wo und wie sich diese Winde bilden und wie genau sie das Erscheinungsbild einer Galaxie beeinflussen. Diese zukünftigen Erkenntnisse könnten unser gegenwärtiges Verständnis über die kosmische Evolution von Galaxien grundlegend erweitern.

VICTOR MARIAN promovierte kürzlich am Max-Planck-Institut für Astronomie. Er untersuchte den Zusammenhang zwischen verschmelzenden Galaxien und aktiven, extrem massereichen Schwarzen Löchern, die sich in den Zentren von Galaxien befinden.

Literaturhinweis

Laha, S. et al.: Ionized outflows from active galactic nuclei as the essential elements of feedback. Nature Astronomy 5, 2020

Didaktische Materialien: www.wissenschaft-schulen.de/ artikel/1051466