Kosmische Jets füttern supermassereiche Schwarze Löcher ​

Im Zentrum jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Ein Monster, das die Nachbarschaft von Sternen und Planeten sowie Gas und Staub zusammenhält. In den Jahrzehnten, seit Astronomen begonnen haben, sie ernsthaft zu studieren, haben wir gelernt, dass diese Objekte wahrscheinlich wichtig sind, um die Bildung von Sternen zu unterstützen. Wir haben sogar eine Technik entwickelt, mit der sie direkt sichtbar machen können. Eine große Frage treibt die Astronomen allerdings immer noch um: Wie wachsen diese Monster so schnell auf massive Größen an?

Zwei neue Studien desselben internationalen Astronomenteams legen nun nahe, dass sogenannte kosmische Jets (Strahlen) dazu beitragen könnten, dass supermassereiche Schwarze Löcher wachsen. Bei den Jets handelt es sich um jene Ausbrüche von angeregten Partikeln und Strahlung, die supermassereiche Schwarze Löcher gelegentlich hervorstoßen. Die erste Studie Befund, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, berichtet von der Entdeckung eines supermassiven Schwarzen Lochs in 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung, das 300-mal so massereich ist wie die Sonne. Die Astronomen verwendeten Infrarotbeobachtungen vom Magellan-Teleskop am Las Campanas-Observatorium in Chile, um zu bestätigen, dass es sich um die Quelle eines 2015 erstmals entdeckten Jets handelt. Dieses supermassereiche Schwarze Loch ist heute das am weitesten entfernte – das heißt das älteste – Jet-produzierende Schwarze Loch aller Zeiten.

Die zweite Studie, die bisher nur als Preprint-Studie erschienen ist und bald im Astrophysical Journal veröffentlicht werden soll, beschreibt die Entdeckung eines kosmischen Jets aus einem supermassiven Schwarzen Loch in 12,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung und über einer Milliarde Mal massereicher als die Sonne. Er wurde erstmals 2018 entdeckt. Das Forscherteam untersuchte es am Chandra-Röntgenobservatorium der NASA, das nach Röntgenemissionen von sehr heißen Objekten im Universum sucht. Es ist der am weitesten entfernte kosmische Jet, der jemals per Röntgenstrahlen beobachtet wurde.

Punkt ohne Wiederkehr

Beide Studie helfen dabei zu erklären, warum supermassereiche Schwarze Löcher so schnell wachsen können, obwohl sie ständig energiereiche Materie freisetzen. In der ersten Untersuchung nutzte das Team Instrumente wie das Very Large Telescope in Chile, um die Eigenschaften des Schwarzen Lochs und seines Strahls wie die Masse zu untersuchen. Den Daten zeigen nun, wie die Jets das Wachstum fördern.

Die intensive Gravitationskraft des Schwarzen Lochs versucht, riesige Mengen an Gas und Staub in seinen Ereignishorizont zu ziehen, also den Punkt ohne Wiederkehr. Diese Materie hat einen Drehimpuls, was bedeutet, dass sie nicht nur direkt hineinfällt, sondern den Ereignishorizont umkreist. Währenddessen drückt der Strahlungsdruck der Umgebung – der durch Reibung und Spannung in der Scheibe der umlaufenden Materie entsteht, die sich selbst erwärmt, bis sie glüht – das Gas kontinuierlich vom Ereignishorizont weg.

Was dabei passiert, ist etwas komplex. Im Wesentlichen aber nimmt der Strahl hochenergetischer Partikel dem Gas den Drehimpuls weg, während er sich nach außen bewegt. Und im Gegensatz zum Strahlungsdruck, der in alle Richtungen strahlt und drückt, ist der Strahl schmal und daher kaum in der Lage, mit den weniger dichten Gasschichten weiter außen zu interagieren und diese zu beeinflussen. Indem das Gas den Drehimpuls verliert, fällt ein Großteil des Gases, das den Ereignishorizont umgibt, einfach direkt hinein.

Unglaublich lange andauernde Jets

„Auf diese Weise stellt der Jet sicher, dass das Schwarze Loch nicht aktiv gegen sich selbst arbeitet. Es kann weiter fressen“, sagt Thomas Connor, NASA-Astronom und Mitautor beider Publikationen. Obwohl Wissenschaftler vermutet haben, dass Jets eine solche Rolle spielen könnten, „haben wir bisher keine wirklich überzeugenden Beweise dafür gesehen“, sagt er.

Die Röntgenstudie stützt diese These. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der Jet 150.000 Lichtjahre von seiner Quelle aus gereist war. Damit war er die erste Röntgenbeobachtung von Jets, die länger als nur einige tausend Lichtjahre waren. „Diese großflächige Röntgendetektion bedeutet, dass diese Jets unglaublich lange andauern“, sagt Connor. Sie sind nicht nur vorübergehende Ereignisse, sondern wurden Hunderttausende Jahre lang aufrechterhalten. Das ist genug Zeit, um einem supermassiven Schwarzen Loch tatsächlich zu helfen, sich zu ernähren und sehr schnell zu wachsen. „Wir wissen jetzt, dass dies ein langfristiger Prozess ist“, sagt er. „Das ist das fehlende Stück, das 15 Jahre Theorie mit dem verbindet, wo wir jetzt sind.“

Beide Studien legen die Grundlagen für Folgestudien, die uns mehr darüber verraten könnten, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher entwickelt und das frühe Universum mitgeprägt haben. Forscher haben jetzt eine bessere Vorstellung davon, wie man nach Schwarzen Löchern aus solchen alten Zeiten sucht, und ein Verständnis dafür, dass mehr Röntgenbeobachtungen entscheidend sein könnten, um zu lernen, wie die Dynamik der Jet-Fütterung funktioniert. Die Entdeckungen „deuten hoffentlich darauf hin, dass es noch viel mehr dieser Objekte gibt“, sagt Conno, „und ich hoffe, dass wir den Entfernungsrekord bald wieder brechen können.“

(vsz)