Kollisionen knipsen Schwarze Löcher an

Forscher finden Ursache für die aktiven Zentren von Galaxien.

Im Herzen der meisten Galaxien sitzt ein massereiches Schwarzes Loch. Auch unsere Milchstraße birgt ein solches exotisches Objekt, das sich allerdings recht ruhig verhält - im Gegensatz zu den schwergewichtigen Massemonstern in anderen Galaxien. Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching und anderer Institutionen haben jetzt 199 dieser Sternsysteme beobachtet und herausgefunden, warum die Schwarzen Löcher in deren Zentren so aktiv sind: Offenbar wurden sie bei Verschmelzungen von großen Galaxien vor rund 700 Millionen Jahren "eingeschaltet".

Abb.: Welten im Zusammenstoß: Verschmelzende Galaxien – hier das System NGC 2207 im Sternbild Großer Hund – sind wahrscheinlich die Vorläufer für aktive Galaxienkerne. (Bild: ESO) 

Während das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße etwa 4 Millionen Sonnenmassen entspricht, haben die Schwarzen Löcher in den 199 untersuchten Galaxien eine Masse von typischerweise 300 Millionen Sonnen. Zudem sind diese Galaxien viel größer als unsere Milchstraße und ihr innerer Bereich strahlt mit einer sehr viel höheren Leuchtkraft als jener von normalen Galaxien.

Die Astronomen glauben, dass diese Strahlung beim Einfall von Materie auf das besonders schwere Schwarze Loch im Zentrum entsteht. Bisherige Studien deuten darauf hin, dass die Geburt und Entwicklung der Galaxien und ihrer zentralen Schwarzen Löcher in engem Zusammenhang stehen. Es gibt allerdings verschiedene Möglichkeiten, wie das innerhalb der Galaxie verteilte Gas zum Schwarzen Loch gelangt. Die Forscher wussten bisher noch nicht, welcher dieser Mechanismen in welchem Entwicklungsstadium einer Galaxie vorherrscht.

Die beiden wichtigsten Wege sind entweder interne Störungen, etwa Instabilitäten in der galaktischen Scheibe, oder Verschmelzungen und gravitative Wechselwirkungen zwischen engen Galaxienpaaren. In Bezug auf die räumliche Verteilung der aktiven Galaxien und ihre Massen führen Simulationen dieser Vorgänge zu unterschiedlichen Vorhersagen.

Vorangehende Studien untersuchten Sternsysteme, die man allein aufgrund ihrer optischen oder weichen Röntgenstrahlung ausgewählt hatte. Dabei wurde aber naturgemäß ein Großteil jener Strahlung außer Acht gelassen, die vom Schwarzen Loch stammt, da diese zum Teil durch Staub und andere Materie in der Galaxie "verschluckt" wird.

"Für unsere Studie beschränkten wir uns auf Galaxien, die aufgrund ihrer harten Röntgenemission in der Swift-BAT-Himmelsdurchmusterung ausgewählt wurden", sagt Nico Cappelluti vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. "Dieser Katalog bietet eine einzigartige Charakterisierung der unterschiedlichen Quellen." Laut Mitautor Marco Ajello, Wissenschaftler am Kavli-Institut für Teilchenphysik und Kosmologie in Stanford (USA), liefert die Himmelsdurchmusterung ein vollständiges Bild der lokalen aktiven Galaxien. "Damit konnten wir die Messungen direkt vor unserer kosmologischen Haustür vornehmen."

So gibt die Analyse der räumlichen Verteilung von 199 ausgewählten Galaxien nun zum ersten Mal ein unverfälschtes Bild der gemeinsamen Entwicklung der Galaxien und ihrer aktiven Kerne im nahen Universum. Danach beherbergen die aktiven Galaxien in ihren Zentren Schwarze Löcher mit typischerweise rund 300 Millionen Sonnenmassen. Die Masse der Milchstraßensysteme selbst entspricht der von etwa 200 Milliarden Sonnen.

Die Galaxien wiederum befinden sich innerhalb großer Blasen aus Dunkler Materie - so massereich wie 100 Milchstraßen. Diese Eigenschaften hängen eng mit der Leuchtkraft zusammen: Die leuchtkräftigeren Quellen stammen aus massereicheren Galaxien mit größeren Schwarzen Löchern.

Beim Vergleich der Beobachtungsdaten mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen fanden die Wissenschaftler heraus, dass das wahrscheinlichste Szenario für den Ursprung der lokalen aktiven Galaxien eine kosmische Kollision ist: "Die aktiven Galaxienkerne schalteten sich vor rund 700 Millionen Jahren nach der Verschmelzung von großen Galaxien ein und leuchteten in ihrem ersten Lebensabschnitt sehr hell", sagt Cappelluti. "Dabei gewannen sie den größten Teil ihrer Masse."

Nach etwa 200 bis 500 Millionen Jahren wurde die Massenanhäufung ("Akkretion") immer weniger effizient, da die Gasvorräte zur Neige gingen. Bis heute sind die Galaxienkerne zwar zu super-massereichen Schwarzen Löchern herangewachsen - mit 100 bis 1000 Sonnenmassen; aber sie strahlen im Vergleich zu anderen aktiven Galaxienkernen nur noch mit mäßiger Leuchtkraft, weil der Materienachschub fehlt und die Schwarzen Löcher gleichsam "hungern".

Die Ergebnisse der Gruppe um Nico Cappelluti tragen entscheidend zu einem besseren Verständnis des Ursprungs der Schwarzen Löcher in Galaxienzentren bei. In den kommenden Jahren wird die nächste Generation von Röntgenteleskopen - etwa eRosita, das gegenwärtig am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebaut wird - Schwarze Löcher und Dunkle Materie weiter kartieren. Von diesen Studien erwartet man Aufschluss über die Geschichte der exotischsten Phänomene im Universum.

MPG

AL