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Was löst die Aktivität von supermassereichen Schwarzen Löchern aus?

13.07.2011
Eine neue Studie, wirft neues Licht auf die Aktivität der massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien während der letzten 11 Milliarden Jahre. Demnach wird diese Aktivität nicht, wie bislang vermutet, durch Galaxienverschmelzungen ausgelöst. Die Studie beruht auf Daten vom Very Large Telescope der ESO und des Röntgensatelliten XMM-Newton der europäischen Weltraumagentur ESA.

Im Herzen der meisten, wenn nicht sogar aller großen Galaxien lauert ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse, die Millionen oder sogar Milliarden Mal größer ist als die unserer Sonne. Bei vielen Galaxien, auch bei unserer Milchstraße, ist das Schwarze Loch in einem ruhigen Zustand. In anderen Fällen, die im frühen Universum besonders häufig auftreten [1], verschlingt das „Monster“ im Zentrum der Galaxie größere Mengen Materie, welche dann beim Sturz in das Schwarze Loch intensive Strahlung aussendet. So wird aus einem Schwarzen Loch ein so genannter aktiver Galaxienkern (englisch Active Galactic Nucleus, abgekürzt AGN).


Das COSMOS-Feld
Abbildung: CFHT/IAP/Terapix/CNRS/ESO

Wie das Material, das die Aktivität auslöst und so gewaltige Ausbrüche in den Zentren der Galaxien verursacht, in die Nähe des Schwarzen Lochs gerät ist noch ungeklärt. Bisher vermuteten viele Astronomen, dass AGN aktiviert werden, wenn die regulären Bahnen der Materie in Galaxien durch eine Verschmelzung oder einen Beinahe-Zusammenstoß zweier Galaxien gestört werden, und damit neue Materie in Richtung des Schwarzen Loches fällt. Die hier vorgestellte Untersuchung belegt freilich, dass dies auf viele aktive Galaxien nicht zutreffen dürfte.

Viola Allevato vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching hat zusammen mit einem aus Mitgliedern der COSMOS-Kollaboration [2] bestehenden, internationalen Wissenschaftlerteam mehr als 600 aktive Galaxien untersucht, die sich im COSMOS-Feld [3] befinden, einem besonders gut untersuchten Gebiet des Himmels. Genau wie sie erwartet hatten, stellten die Wissenschaftler fest, dass die meisten aktiven Galaxien während der vergangenen 11 Milliarden Jahre mäßig hell leuchteten, während extrem leuchtkräftige aktive Galaxienkerne eher selten waren. Zu ihrer Überraschung stellten die Astronomen allerdings auch fest, dass die überwiegende Mehrheit dieser häufigeren und weniger hellen AGN nicht durch Galaxienverschmelzungen aktiviert wurden [4]. Die Ergebnisse der Studie erscheinen in der Faczeitschrift „The Astrophysical Journal“.

Ein aktiver Galaxienkern verrät sich durch Röntgenstrahlung, die aus der Umgebung des Schwarzen Loches stammt und vom ESA-Satelliten XMM-Newton nachgewiesen werden kann. Die auf diese Weise herausgefilterten Galaxien wurden anschließend mit dem Very Large Telescope der ESO beobachtet, um ihre Entfernung zu bestimmen [5]. Die Kombination beider Beobachtungsverfahren ermöglichte es dem Team, eine dreidimensionale Karte der Positionen der aktiven Galaxien zu erstellen.

“Es hat über fünf Jahre gedauert, aber dafür haben wir jetzt eine der größten und vollständigsten Bestandsaufnahmen von aktiven Galaxien am Röntgenhimmel” erklärt Marcella Brusa, eine der Autorinnen der Studie.

Die Astronomen untersuchten anhand dieser Karte die Verteilung der aktiven Galaxien und verglichen sie mit theoretischen Vorhersagen. Ebenso waren sie in der Lage festzustellen, wie sich diese Verteilung über den Zeitraum von vor etwa 11 Milliarden Jahren bis in die Gegenwart veränderte.

Dabei zeigte sich, dass die meisten aktiven Kerne in großen, massereichen Galaxien zu finden sind, die große Mengen an Dunkler Materie enthalten [6]. Das war eine Überraschung und steht im Widerspruch zu theoretischen Vorhersagen – wenn die Mehrzahl der aktiven Kerne durch Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien entstünden, wäre zu erwarten, dass sie sich bevorzugt in Galaxien mittlerer Masse (mit etwa einer Billion Sonnenmassen) befinden. Das Team fand dagegen heraus, dass sich die meisten aktiven Kerne in Galaxien befinden, deren Masse rund zwanzigmal größer war als von der Theorie der Galaxienverschmelzungen vorhergesagt.

“Diese Ergebnisse eröffnen uns einen völlig neuen Blick darauf ,wie supermassereiche Schwarze Löcher ihre Mahlzeit beginnen“ sagt Viola Allevato, die Erstautorin des Fachartikels, in dem die Ergebnisse der Studie beschrieben werden. “Offenbar werden Schwarze Löcher in den meisten Fällen durch Vorgänge innerhalb der Galaxie selbst gefüttert, zum Beispiel durch Scheibeninstabilitäten oder durch die rasche Bildung vieler neuer Sterne, nicht aber durch Kollisionen mit anderen Galaxien.“

Alexis Finoguenov, der die Arbeit betreut hat, schließt: “Sogar in der fernen Vergangenheit, vor fast 11 Milliarden Jahren, waren Kollisionen zwischen Galaxien nur in wenigen Prozent der Fälle der Auslöser für die Aktivität der mittelhellen Galaxienkerne. Die Ergebnisse sind umso überraschender, da zu dieser Zeit die Galaxien viel näher zusammen standen Galaxienverschmelzungen daher häufiger gewesen sein dürften als in der jüngeren Vergangenheit.”

Endnoten

[1] Am häufigsten sind extrem helle aktive Galaxienkerne rund drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall. Weniger helle Objekte findet man dagegen etwa acht Milliarden Jahre nach dem Urknall am häufigsten.

[2] Die neue Studie basiert auf zwei großen europäischen Astronomieprogrammen: der XMM-Newton-Durchmusterung des COSMOS-Feldes unter Leitung von Günther Hasinger und dem ESO-Programm zCOSMOS, das von Simon Lilly geleitet wird. Diese Programme sind Teil der COSMOS-Initiative, eines internationalen Projektes, in dessen Rahmen ein bestimmtes Feld am Himmel mit dem Hubble-Weltraumteleskop von NASA und ESA, dem Röntgensatelliten XMM-Newton der ESA, dem Röntgensatelliten Chandra der NASA, dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA sowie mit dem Very Large Telescope der ESO und anderen bodengebundenen Instrumenten beobachtet wird.

[3] Das COSMOS-Feld bedeckt eine Fläche am Himmel im Sternbild Sextans (der Sextant) die etwa zehn Vollmonden entspricht. Das Feld wurde mit einer Vielzahl von Teleskopen bei verschiedenen Wellenlängen beobachtet, so dass eine ganze Reihe von Studien von diesem Datenschatz profitieren kann.

[4] Im vergangenen Jahr zeigte eine Veröffentlichung, die auf Daten des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble basiert (heic1101), dass es in einer Stichprobe von relativ nahen Galaxien keinen starken Zusammenhang zwischen aktiven Kernen und Verschmelzungen von Galaxien gibt. Diese Untersuchung deckte einen Zeitraum bis etwa acht Milliarden Jahre vor der Gegenwart ab, während die neue Studie die Gültigkeit dieser Schlussfolgerung auf bis zu 11 Milliarden Jahre vor unserer Zeit bestätigt und damit einen zusätzlichen Zeitraum abdeckt, in dem die Galaxien noch wesentlich dichter zusammenstanden.

[5] Das Team verwendete einen Spektrografen am VLT, um das schwache Licht der Galaxien in seine einzelnen Farben zu zerlegen. Eine gründliche Auswertung solcher Spektren ermöglicht die Bestimmung der Rotverschiebung, also des Ausmaßes, um das die Expansion des Universums das Licht gedehnt hat, seit es die Galaxie verlassen hat. Die Rotverschiebung ist daher ein Maß für die Entfernung der Galaxien von der Erde. Da das Licht sich nur mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet, zeigt die Rotverschiebung auch an, wie weit wir in der Zeit zurückschauen, wenn wir diese fernen Galaxien beobachten.

[6] Die Dunkle Materie ist ein geheimnisvoller und unsichtbarer Bestandteil der meisten, wenn nicht sogar aller Galaxien, egal ob nun aktiv oder ruhig, inklusive unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Die Autoren der Studie haben die Menge an Dunkler Materie – die ein Indikator für die jeweilige Gesamtmasse ist – für jede Galaxie aus der Verteilung aller Galaxien in der Studie abgeschätzt.

Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Allevato et al. erscheinen im Juli 2011 unter dem Titel “The XMM-Newton Wide field survey in the COSMOS field: redshift evolution of AGN bias and subdominant role of mergers in triggering moderate luminosity AGN at redshift up to 2.2 ” in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal.

Die beteiligten Wissenschaftler sind V. Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [IPP] und Excellence Cluster Universe, Garching), A. Finoguenov (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik [MPE], Garching und University of Maryland, Baltimore, USA), N. Cappelluti (INAF-Osservatorio Astronomico de Bologna [INAF-OA], Italien und University of Maryland, Baltimore, USA), T.Miyaji (Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Ensenada, Mexico und University of California at San Diego, USA), G. Hasinger (IPP), M. Salvato (IPP und Excellence Cluster Universe), M. Brusa (MPE), R. Gilli (INAF-OA), G. Zamorani (INAF-OA), F. Shankar (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching), J. B. James (University of California at Berkeley, USA and University of Copenhagen, Denmark), H. J. McCracken (Observatoire de Paris, Frankreich), A. Bongiorno (MPE), A. Merloni (Excellence Cluster Universe, Garching und MPE), J. A. Peacock (University of California at Berkeley, USA), J. Silverman (University of Tokyo, Japan) und A. Comastri (INAF-OA).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop der 40-Meter-Klasse für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird, das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Kontaktinformationen

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ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
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E-Mail: eson-germany@eso.org
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Viola Allevato
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe
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Dr Alexis Finoguenov
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Carolin Liefke | ESO Science Outreach Network
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