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Astronomie+Physik

Einblick in einen aktiven Galaxienkern

Nest200047
Vom Schwarzen Loch erzeugte Gasfilamente in der Galaxiengruppe Nest200047. (Bild: University of Bologna)

Im Herzen der meisten Galaxien sitzen supermassereiche Schwarze Löcher. Wenn sie aktiv Materie verschlingen, stoßen sie enorme Mengen an heißen Gasen, Strahlung und schnellen Teilchen aus. Doch wie sich das emittierte Material im Laufe der Zeit entwickelt, war bislang unklar. Astronomen ist es nun jedoch gelungen, mithilfe von Radio- und Röntgenteleskopen erstmals die zeitliche Entwicklung solcher Emissionen zu rekonstruieren. Dabei zeigte sich, dass die fragil wirkenden Gasblasen und Filamente erstaunlich lange halten – mehr als hundert Millionen Jahre – und dass sie weit über ihre Heimatgalaxie hinausreichen können.

Supermassereiche Schwarze Löcher und ihre galaktischen „Wirte“ sind eng miteinander verknüpft: Wie aktiv das zentrale Schwarze Loch ist, bestimmt mit, wie schnell eine Galaxie wächst oder wie aktiv sie Sterne bildet. Verschlingt ein solcher Galaxienkern viel Materie in Form von Staub oder sogar Sternen, setzt dies enorme Mengen Energie frei. Ein Teil davon entweicht in Form von energiereicher Strahlung ins All, die aktive Galaxienkerne über Milliarden Lichtjahre hinweg als Quasare sichtbar machen kann. Parallel dazu gibt ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch auch fast lichtschnelle Teilchenströme frei. Durch die Interaktion dieser Jets mit der umgebenden Materie und den Magnetfeldern entstehen Blasen und Filamente aus heißem, ionisierten Gas, die die galaktische Umgebung und Sternbildung entscheidend prägen.

Kosmische Gasgebilde im Blick

Doch wie sich diese Emissionen eines aktiven Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit verändern und wie lange es dauert, bis beispielsweise die neu entstandenen Gasgebilde sich im galaktischen und intergalaktischen Medium auflösen, war bislang unklar. Der Grund: Diese Auswürfe des Schwarzen Lochs ließen sich bisher vor allem anhand der Synchrotronstrahlung der in ihnen stark beschleunigten Elektronen abbilden und nachverfolgen. Doch weil die Teilchen in den Gasgebilden ihre Energie verlieren, lässt auch diese Strahlung schnell nach. „Die fortgeschrittensten Phasen ihrer Entwicklung blieben daher undokumentiert und das verhindert, dass wir vollständig verstehen, wie sie mit dem externen Medium verknüpft sind und welches Feedback es gibt“, erklären Marisa Brienza von der Universität Bologna und ihre Kollegen.

Inzwischen jedoch verfügt die Astronomie über neue Teleskope, die so leistungsfähig und sensitiv sind, dass sie selbst die schwächere Strahlung der Elektronen in den älteren Gasblasen und -filamenten einfangen können, die um ein Schwarzes Loch entstehen. Für ihre Studie nutzten die Forscher die Radioantennen des Low Frequency Array (LOFAR) in den Niederlanden, einem der in tiefen Frequenzbereichen leistungsfähigsten Radioteleskope der Welt. Mit ihm peilte das Team die rund 200 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxiengruppe Nest200047 an. In ihrem Zentrum liegt eine besonders massereiche Galaxie mit einem aktiven supermassereichen Schwarzen Loch. Durch Beobachtungen bei 53 und 144 Megahertz gelang es den Astronomen, selbst die ältesten Auswürfe dieses Schwarzen Lochs sichtbar zu machen. Parallel dazu richteten sie auch das Röntgenteleskop eROSITA auf diese Galaxie und konnten damit unter anderem die Röntgenstrahlung beobachten, die bei der Interaktion der vom Schwarzen Loch stammenden Materieauswürfe mit dem intergalaktischen Medium entstehen.

Über Jahrmillionen stabil

Zusammen ermöglichten es diese Beobachtungen den Astronomen, das Schicksal der vom Schwarzen Loch ausgehenden heißen Gase über 100 Millionen Jahre hinweg zu rekonstruieren. „Unsere Beobachtungen zeigen die späte Entwicklung von multiplen Generationen der von einem aktiven Galaxienkern in einer Galaxiengruppe ausgehenden Blasen in bisher unerreichter Detailgenauigkeit“, konstatieren Brienza und ihr Team. Die Aufnahmen enthüllten unter anderem, wie frische Blasen heißen Plasmas als pilzähnliche Ausstülpungen in der Nähe des Schwarzen Lochs gebildet werden. Dann entstehen daraus Blasen und ringförmige Gebilde, die ähnlich wie im Wasser aufsteigende Gasblasen nach außen wandern. Nähere Analysen ergaben, dass einige der in Nest200047 beobachteten Blasen schon mehr als 100 Millionen Jahre alt sein müssen.

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Die Röntgendaten zeigten, dass noch ältere Reste solcher Blasen in Form dünner, Millionen von Lichtjahren langer Gasfilamente bis weit über die Herkunftsgalaxie hinausreichen. „Man würde erwarten, dass diese dünnen, langen Filamente längst durch zufällige, turbulente Bewegungen zerstört worden wären“, schreiben die Forscher. Vor allem der Kontakt mit dem eher turbulenten intergalaktischen Medium müsste diese dünnen Gasfäden eigentlich zerstreuen und auflösen. „Die Tatsache, dass die Blasen und Filamente ihre Integrität selbst nach hunderten Millionen Jahren und nach einer Bewegung über hunderttausende von Lichtjahren hinweg behalten haben, widerspricht dem jedoch.“ Die Astronomen vermuten, dass Magnetfelder eine entscheidende Rolle dafür spielen, diese scheinbar so fragilen Gasgebilde so lange unvermischt zu erhalten.

Quelle: Marisa Brienza (Università di Bologna) et al., Nature Astronomoy, doi: 10.1038/s41550-021-01491-0

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