15.06.2021

Schwarze Löcher unterstützen Sternentstehung

Computersimulationen zeigen unerwarteten Effekt bei Satellitengalaxien.

Aktive schwarze Löcher in Galaxien haben eher einen zer­störerischen Ruf. Die Energie, die sie freisetzen, heizt Gas in ihrer Heimatgalaxie auf und sorgt teilweise sogar dafür, dass Gas aus der Galaxie quasi hinaus­geblasen wird. Beides erschwert es der Galaxie, neue Sterne zu produzieren. Doch nun hat eine internationale Forscher­gruppe heraus­gefunden, dass aktive schwarze Löcher die Sternentstehung in einigen Fällen sogar unterstützen können – zumindest bei den Satelliten­galaxien, die ihre Heimat­galaxie umkreisen. 

Abb.: Gasdichte rund um eine masse­reiche Zentral­galaxie in einer...
Abb.: Gasdichte rund um eine masse­reiche Zentral­galaxie in einer Galaxien­gruppe im virtuellen Universum der TNG50-Simulation. (Bild: D. Nelson, TNG Coll.)

Astronomische Beobachtungen, bei denen ein Spektrum einer fernen Galaxie aufgenommen wird – die regen­bogenartige Aufspaltung des Lichts einer Galaxie in seine verschiedenen Wellenlängen – ermöglichen eine vergleichs­weise direkte Bestimmung der Geschwin­digkeit, mit der jene Galaxie neue Sterne bildet. Für viele Galaxien liegen die Sternenentstehungsraten solchen Messungen nach bei eher bescheidenen Raten. In unserer eigenen Milchstraßengalaxie werden nur ein oder zwei neue Sterne pro Jahr geboren. In anderen Galaxien gibt es kurze Ausbrüche intensiver Sternentstehungs­aktivität – Starbursts – bei denen Hunderte von Sternen pro Jahr geboren werden. In wieder anderen Galaxien scheint die Stern­entstehung unterdrückt zu sein: Solche Galaxien haben praktisch aufgehört, neue Sterne zu bilden.

Eine besondere Art von Galaxien, deren Exemplare häufig, nämlich in fast der Hälfte der Fälle in solch einem Zustand unterdrückter Sternentstehungs­aktivität gefunden werden, sind Satelliten­galaxien. Solche Galaxien sind Teil einer Gruppe oder eines Haufens von Galaxien, ihre Masse ist vergleichsweise gering, und sie umkreisen eine deutlich massereichere Zentralgalaxie, ähnlich wie Satelliten die Erde umkreisen. Seit den 1970er Jahren haben Astronomen vermutet, dass der Grund für die Unterdrückung der Stern­entstehungs­aktivität solcher Satelliten­galaxien mit einer Art Fahrtwind zusammenhängen könnte: Galaxiengruppen und Galaxienhaufen enthalten nämlich nicht nur Galaxien, sondern auch heißes, dünnes Gas, das den inter­galaktischen Raum ausfüllt. Läuft so eine Satelliten­galaxie mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Kilometern pro Sekunde im Galaxienhaufen um, dann würde sie durch das dünne Gas die gleiche Art von Fahrtwind spüren wie jemand, der mit hoher Geschwindigkeit Fahrrad oder Motorrad fährt. Die Sterne der Satelliten­galaxie sind dabei viel zu klein und kompakt, um vom Fahrtwind des entgegen­kommenden inter­galaktischen Gases merklich beeinflusst zu werden. Aber das eigene Gas der Satelliten­galaxie ist es nicht.

Es würde durch das entgegenkommende heiße inter­galaktische Gas durch Staudruck entgegen der Flugrichtung aus der Satelliten­galaxie herausgedrückt. Andererseits hat eine sich schnell bewegende Galaxie keine Chance, eine ausreichende Menge an inter­galaktischem Gas anzuziehen, um ihr Gasreservoir wieder aufzufüllen. Im Endeffekt verlieren Satelliten­galaxien ihr Gas auf diese Weise so gut wie vollständig. Damit fehlt anschließend das Rohmaterial, das für die Sternentstehung benötigt wird, und die Stern­entstehungs­aktivität der Satelliten­galaxie kommt zum Erliegen. Die fraglichen Prozesse laufen über Millionen oder gar Milliarden von Jahren hinweg ab, so dass wir nicht direkt beobachten können, was da vor sich geht. Doch die Ergebnisse von Computer­simulationen von virtuellen Universen lassen sich mit echten astro­nomischen Beobachtungen vergleichen – und innerhalb der Simulationen können wir dann jeweils der Frage nachgehen wie das, was wir da sehen, entstanden ist.

Annalisa Pillepich, eine Gruppen­leiterin am Max-Planck-Institut für Astronomie, ist auf diese Art kosmologischer Simulationen spezialisiert. Die IllustrisTNG-Simulations­reihe, die Pillepich mit geleitet hat, liefert die bisher detaillier­testen virtuellen Universen. IllustrisTNG liefert einige extreme Beispiele für Satellitengalaxien, die ihr Gas gerade erst durch den Staudruck verloren haben: „Quallen-Galaxien“, die die Überreste ihres Gases hinter sich herziehen wie Quallen ihre Tentakel. Aber obwohl Quallen-Galaxien für die Erforschung der Satelliten­galaxien wichtig sind, war der Ausgangspunkt für das hier beschriebene Forschungsprojekt ein anderer: Bei einem Mittagessen im November 2019 erzählte Pillepich dem auf Beobachtungen spezialisierten Astronomen Ignacio Martín-Navarro von einem anderen Illustris­TNG-Ergebnis: wie weit der Einfluss supermasse­reicher schwarzer Löcher über ihre Heimatgalaxie hinaus in den inter­galaktischen Raum reicht.

Supermassereiche schwarze Löcher finden sich im Zentrum so gut wie aller Galaxien. Materie, die auf ein solches schwarzes Loch fällt, wird typischerweise Teil einer rotierenden Scheibe, der Akkretions­scheibe, die das schwarze Loch umgibt. Vom inneren Rand der Akkretions­scheibe aus fällt Materie in das schwarze Loch hinein. Fällt von außen weitere Materie auf die Akkretionsscheibe, setzt das eine enorme Energiemengen in Form von Strahlung frei. Oft entstehen auch zwei entgegen­gesetzte Jets aus schnell bewegten Teilchen, die rechtwinklig zur Akkretions­scheibe vom schwarzen Loch weg beschleunigt werden. Ein supermasse­reiches schwarzes Loch, das auf diese Weise Energie abstrahlt, nennt man einen aktiven Galaxienkern (AGN). Illustris­TNG ist zwar nicht detailliert genug, um Jets von schwarzen Löchern einzubeziehen. Aber das Modell­universum ist so detailliert, dass es allgemeiner simulieren kann, wie ein AGN dem umgebenden Gas Energie zuführt. Wie die Simulation zeigte, führt diese Energiezufuhr zu Gasflüssen, die sich entlang eines Weges des geringsten Widerstands ausbreiten: im Fall von Scheiben­galaxien, ähnlich unserer eigenen Milchstraße, senkrecht zur Sternscheibe; bei elliptischen Galaxien senkrecht zu einer geeigneten Ebene, die durch die Anordnung der Sterne der Galaxie definiert ist.

Mit der Zeit arbeitet sich das ausströmende Gas senkrecht zur Scheibe oder bevorzugten Ebene soweit nach außen vor, dass es die inter­galaktische Umgebung beeinflusst – also das dünne Gas, das die Galaxie umgibt. Die Gasflüsse drücken das inter­galaktische Gas weiter nach außen, so dass auf jeder Seite der Galaxie eine gigantische Blase entsteht. Das war der Umstand, der Pillepich und Martín-Navarro zum Nachdenken brachte: Wenn eine Satelliten­galaxie eine solche Blase durchquert – würden die vom AGN hervor­gerufenen Gasflüsse zum Fahrtwind beitragen, den die Satelliten­galaxie verspürt, und würde die Sternent­stehungsaktivität der Satelliten­galaxie dadurch noch weiter gebremst werden?

Martín-Navarro ging der Frage mit seinen eigenen Werkzeugen nach. Er hatte bereits vorher mit Daten einer der bisher größten systematischen Himmelsdurch­musterungen gearbeitet: des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der hochwertige Bilder und Spektren eines großen Teils der nördlichen Himmelskugel liefert. In den öffentlich zugänglichen Daten dieser Durchmusterung untersuchte Martín-Navarro 30.000 Galaxiengruppen und -haufen, von denen jede eine zentrale Galaxie und im Durchschnitt vier Satelliten­galaxien enthält. Bei einer statistischen Analyse dieser Tausenden von Systemen fand er einen kleinen, aber deutlichen Unterschied zwischen Satelliten­galaxien, die nahe an der bevorzugten Ebene der Zentralgalaxie lagen, und Satelliten, die deutlich darüber oder darunter lagen. Der Unterschied verlief jedoch genau anders herum, als es die Forscher erwartet hatten: Satelliten­galaxien oberhalb und unterhalb der Ebene, also innerhalb der ausgedünnten Blasen, waren im Durchschnitt aktiver, was die Stern­entstehung anging. Würde man zufällig eine der Satelliten­galaxien auswählen, dann wäre die Wahrschein­lichkeit, dass die Stern­enstehungs­aktivität jener speziellen Galaxie zum Erliegen gekommen ist, für eine ober- oder unterhalb der Ebene befindliche Galaxie rund fünf Prozent geringer als für eine Galaxie nahe der Ebene.

Mit diesem über­raschenden Ergebnis führten Martín-Navarro und Pillepich die gleiche Art der statis­tischen Analyse im virtuellen Universum der IllustrisTNG-Simu­lationen durch. In solchen Simulationen wird die kosmische Evolution von den Forschern gerade nicht von Hand vorgegeben. Programmiert sind stattdessen Regeln, welche die physikalischen Gesetz­mäßigkeiten im virtuellen Universum so realistisch wie möglich nachbilden. Außerdem sind für das virtuelle Universum Anfangs­bedingungen hinterlegt, die dem Zustand unseres eigenen Universums kurz nach dem Urknall so nahe wie möglich kommen. Regeln und Anfangs­bedingungen sind die Grundlage, auf der sich das virtuelle Universum dann im Computer weiter­entwickelt. Deshalb lassen solche Simulationen Raum für Unerwartetes: Raum für die Wieder­entdeckung des Zusammenhangs zwischen der Position einer Satelliten­galaxie und der Wahrschein­lichkeit, dass die Sternentstehung in einer solchen Satelliten­galaxie bereits zum Erliegen gekommen ist. Genau diesen Zusammenhang fanden die Forscher im virtuellen Universum wieder.

Pillepich, Martín-Navarro und ihre Kollegen machten sich daraufhin Gedanken, welcher physikalische Mechanismus für den Zusammenhang verant­wortlich sein könnte. Ihre Hypothese: Man stelle sich eine Satelliten­galaxie vor, die durch eine der ausgedünnten Blasen reist, die das zentrale schwarze Loch im umgebenden inter­galaktische Medium erzeugt hat. Aufgrund der geringeren Dichte erfährt diese Satelliten­galaxie weniger Fahrtwind, weniger Staudruck. Damit ist die Wahrschein­lichkeit geringer, dass das Gas jener Satelliten­galaxie aus der Galaxie herausgedrückt wird. Dabei kommt es auf die Statistik an. Bei Satelliten­galaxien, die dieselbe Zentralgalaxie schon mehrmals umkreist haben und dabei Blasen, aber auch die dazwischen liegenden Regionen mit höherer Dichte mehrmals durchquert haben, wird der Effekt nicht weiter auffallen. Solche Galaxien haben ihr Gas längst verloren.

Aber für Satelliten­galaxien, die erst kürzlich zu der Gruppe oder dem Haufen hinzugestoßen sind, wird der Ort einen Unterschied machen: Wenn diese Satelliten zufällig zuerst in einer Blase landen, ist es weniger wahrscheinlich, dass sie ihr Gas verloren haben, bis wir sie beobachten, als wenn sie beim Gruppen-Beitritt außerhalb einer Blase landen. Dieser Effekt könnte der Grund für den ortsbedingten statistischen Unterschied bei den Satelliten­galaxien sein.

Die Übereinstimmung zwischen den statis­tischen Analysen der SDSS-Beobachtungen und der IllustrisTNG-Simu­lationen, kombiniert mit einer plausiblen Hypothese für den dahinter­stehenden physikalischen Mechanismus, ist ein vielver­sprechendes Ergebnis. Im Zusammenhang mit der Galaxien­entwicklung ist das Ergebnis auch deswegen interessant, weil es indirekt bestätigt, dass aktive Galaxienkerne das umgebende inter­galaktisches Gas nicht nur aufheizen, sondern aktiv wegschieben, um Regionen mit geringerer Dichte zu schaffen.

MPIA / JOL

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