Wenn Schwarze Löcher den Weg für die Sternentstehung in Satellitengalaxien freimachen

  • Eine Kombination von systematischen Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen hat gezeigt, dass Schwarze Löcher überraschenderweise bestimmten Galaxien helfen können, neue Sterne zu bilden. Die übliche Rolle supermassereicher Schwarze Löcher für die Sternentstehung ist destruktiv: sie können Galaxien das für die Sternentstehung nötige Gas austreiben. Die neuen Ergebnisse, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, zeigen dagegen Situationen, in denen aktive Schwarze Löcher stattdessen bestimmten Galaxien sozusagen den Weg frei machen und verhindern, dass die Sternentstehung gestört wird, während jene Galaxien durch das umgebende intergalaktische Gas fliegen.


    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 "hinausgeblasen" wird. Beides erschwert es der Galaxie, neue Sterne zu produzieren. Doch nun haben Forscher*innen herausgefunden, dass aktive Schwarze Löcher die Sternentstehung in einigen Fällen sogar unterstützen können – zumindest bei den Satellitengalaxien, die ihre Heimatgalaxie umkreisen.


    Diese unerwartete Erkenntnis erwuchs aus einer Zusammenarbeit, die letztlich auf ein Mittagspausen-Gespräch zwischen einer auf Computersimulationen spezialisierten Astronomin und einem beobachtenden Astronomen zurückging. Als solches ist es ein gutes Beispiel für die Art von informellem wissenschaftlichem Austausch, der derzeit unter Pandemiebedingungen deutlich schwieriger ist als vorher.


    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 eheer 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, so genannte "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 sogenannte 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 Sternentstehungs-Aktivität 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 sogenannten "Staudruck" – Fahrtwind – 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. Trotzdem gibt es Möglichkeiten für Astronom*innen, mehr zu erfahren: Computersimulationen von virtuellen Universen, deren Evolution denselben physikalischen Gesetzen folgt wie in unserem eigenen Universum. Die Ergebnisse solcher Simulationen 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 (MPIA), ist auf diese Art kosmologischer Simulationen spezialisiert. Die IllustrisTNG-Simulationsreihe, die Pillepich mit geleitet hat, liefert die bisher detailliertesten virtuellen Universen – Universen, in denen Forscher die Bewegung von Gas auf vergleichsweise kleinen Skalen verfolgen können.


    IllustrisTNG liefert einige extreme Beispiele für Satellitengalaxien, die ihr Gas gerade erst durch den Staudruck verloren haben: sogenannte "Quallen-Galaxien", die die Überreste ihres Gases hinter sich herziehen wie Quallen ihre Tentakel. Tatsächlich ist die Identifizierung aller Quallen-Galaxien in diesen Simulationen ein kürzlich gestartetes Citizen-Science-Projekt auf der Plattform Zooniverse. Dort können Freiwillige bei der Erforschung der Quallen-Galaxien mithelfen (siehe diese MPIA-Mitteilung vom 1. Juni 2021).


    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, der mit einem Marie-Curie-Stipendium am MPIA war, 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 sogenannten 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 Aktiven Galaxienkern, nach dem englischen active galactic nucleus abgekürzt zu "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 sogenannten elliptischen Galaxien senkrecht zu einer geeigneten Ebene, die durch die Anordnung der Sterne der Galaxie definiert ist (siehe diese MPIA-Wissenschaftsmitteilung von 2019).


    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 4 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 5% geringer als für eine Galaxie nahe der Ebene.


    Mit diesem überraschenden Ergebnis ging Martín-Navarro zurück zu Annalisa Pillepich, und die beiden führten die gleiche Art der statistischen Analyse im virtuellen Universum der IllustrisTNG-Simulationen durch. In solchen Simulationen wird die kosmische Evolution von den Forscher*innen ja 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. In diesem speziellen Fall war das: Raum für die Wiederentdeckung des Zusammenhangs zwischen der Position einer Satellitengalaxie – in der Ebene der zentralen Galaxie, oder darunter/darüber – und der Wahrscheinlichkeit, dass die Sternentstehung in einer solchen Satellitengalaxie bereits zum Erliegen gekommen ist. Genau diesen Zusammenhang fanden die Forscher*innen im virtuellen Universum wieder, einschließlich der Größe der Wahrscheinlichkeits-Abweichung von 5%.


    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.


    Gasdichte rund um eine massereiche Zentralgalaxie in einer Galaxiengruppe im virtuellen Universum der TNG50-Simulation. Das Gas im Inneren der Galaxie entspricht der hellen vertikalen Struktur und bildet eine Gasscheibe. Links und rechts von der Struktur befinden sich Blasen - Regionen, die in diesem Bild wie Kreise aussehen, mit deutlich reduzierter Gasdichte im Inneren. Diese Geometrie des Gases ist auf die Wirkung des supermassereichen Schwarzen Lochs zurückzuführen, das sich im Zentrum der Galaxie verbirgt, das Gas vorzugsweise in Richtungen senkrecht zur Gasscheibe der Galaxie ausstößt und dabei Regionen mit geringerer Dichte erzeugt. Bild: TNG Collaboration/Dylan Nelson


    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.


    Und wie bei allen vielversprechenden Ergebnissen gibt es eine Reihe von naheliegenden Richtungen, in die Martín-Navarro, Pillepich und ihre Kollegen, aber auch andere Wissenschaftler*innen weiterforschen können.

    Zunächst einmal gibt es weitere Simulationen, die ähnlich umfassend und detailliert sind wie IllustrisTNG, aber die kosmische Entwicklung etwas anders modellieren. Liefern diese Simulationen, wie zum Beispiel die EAGLE-Simulation, die gleichen Ergebnisse?


    Die SDSS-Beobachtungen dokumentieren die Lage im Universum zu einem vergleichsweise späten Zeitpunkt. Allerdings gilt: Wenn Astronom*innen ins All blicken, blicken sie gleichzeitig in die Vergangenheit. Bereits die Andromedagalaxie sehen wir so, wie jene Galaxie vor 2,5 Millionen Jahren war, schlicht weil das Licht der Andromedagalaxie 2,5 Millionen Jahre benötigt hat, um zu uns zu gelangen. Auf diese Weise können Astronom*innen die Vergangenheit ferner kosmischer Regionen direkt beobachten.


    Das wirft direkt die Frage auf: Zeigen Beobachtungen deutlich weiter entfernter Galaxien, also Beobachtungen, die das Universum so abbilden, wie es zu deutlich früheren Zeiten war ("höhere Rotverschiebungen"), ähnliche statistische Unterschiede bei den damaligen Satellitengalaxien? Vom vorgeschlagenen Mechanismus her würde man sogar erwarten, dass der statistische Effekt in der Vergangenheit ausgeprägter war – und das ist eine Vorhersage, die sowohl anhand von Beobachtungen als auch innerhalb der virtuellen Universen kosmologischer Simulationen überprüft werden kann.


    Nicht zuletzt liefern die neuen Ergebnisse zusätzliche Motivation dafür, IllustrisTNG-Vorhersage über das Auftreten von Regionen geringerer Dichte um die zentralen Galaxien von Galaxiengruppen und -haufen durch neuartige Beobachtungen auf den Prüfstand zu stellen. Das deutsch-russische Röntgeninstrument eROSITA, das im Sommer 2019 an Bord des SRG-Satelliten gestartet wird, könnte diese großräumigen Strukturen innerhalb von Galaxiengruppen oder -haufen direkt nachweisen, indem es die Helligkeit des vom Gas emittierten Lichts bei verschiedenen Röntgenwellenlängen misst.


    Weitere Infos auf den Seiten des MPIA unter http://www.mpia.de/5705282/new…450_transferred?c=5230012

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