Eine unerwartete Verbindung zwischen den Jets von Schwarzen Löchern und ihren Heimatgalaxien 🌀

Von Françoise Combes – Astrophysikerin am Observatorium von Paris

Eine neue Analyse von Radioteleskopdaten verbindet die Formen von Galaxien mit den Schwarzen Löchern, die sie beherbergen. Schwarze Löcher sind nicht vielfältig. Sie haben immer nur eine einzige Farbe (schwarz) und eine einzige Form (kugelförmig). Die einzige Eigenschaft, die von einem Schwarzen Loch zum anderen variieren kann, ist die Masse.


Im Allgemeinen sind die von uns entdeckten Schwarzen Löcher entweder stellare Schwarze Löcher oder supermassive Schwarze Löcher. Stellare Schwarze Löcher haben eine Masse, die etwa der unserer Sonne entspricht (10³⁰ kg), und sind etwa so groß wie eine Stadt.


Supermassive Schwarze Löcher hingegen sind weitaus massereicher (eine Million Mal die Masse der Sonne) und etwa so groß wie das Sonnensystem. So massereich diese Schwarzen Löcher auch sind, ihre Masse bleibt dennoch relativ gering und liegt oft weit unter 1 % der gesamten Sternmasse ihrer Galaxie. Außerdem sind sie im Vergleich zu ihren Heimatgalaxien sehr viel kleiner – etwa millionenfach kleiner in ihrem Radius.

Eine Ausrichtung auf sehr unterschiedlichen Skalen

In neuen Forschungsergebnissen, die wir heute am 14. November in Nature Astronomy veröffentlichen, haben wir entdeckt, dass es eine Verbindung zwischen der Umgebung des Schwarzen Lochs und der Heimatgalaxie gibt, da die Jets, die vom Schwarzen Loch ausgesandt werden, mit dem Rest der Galaxie ausgerichtet sind, trotz der sehr unterschiedlichen Maßstäbe.

Supermassive Schwarze Löcher sind relativ selten. Unsere Galaxie, die Milchstraße, besitzt eines in ihrem Zentrum (es heißt Sagittarius A*, nach dem Sternbild, in dem es sich befindet). Es scheint, dass auch alle anderen Galaxien ein (oder gelegentlich zwei) supermassive Schwarze Löcher in ihrem Kern beherbergen. Die Zentren oder Kerne dieser fernen Galaxien können aktiv werden, da Staub und Gas unter dem gravitativen Einfluss des Schwarzen Lochs in Richtung Kern gezogen werden.

Diese fallen jedoch nicht sofort hinein, da sie eine hohe Rotationsgeschwindigkeit besitzen und eine heiße Scheibe aus Materie bilden, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Diese Akkretionsscheibe erzeugt wiederum durch ihr intensives Magnetfeld einen überhitzen Jet aus geladenen Teilchen, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten, nahe der Lichtgeschwindigkeit, aus dem Kern ausgestoßen werden. Wenn dies geschieht, spricht man von einem Quasar (quasi-stellares Objekt).

Ein Teleskop von der Größe der Erde

Eine gängige Methode, um Quasar-Jets zu untersuchen, ist die Very Long Baseline Interferometry (VLBI). VLBI ermöglicht es, verschiedene Radioteleskope miteinander zu verbinden, sodass sie wie ein einziges Teleskop von der Größe der Erde funktionieren. Die räumliche Auflösung ist dann deutlich höher als bei optischen oder infraroten Teleskopen.


Dieses „riesige Auge“ ist wesentlich effektiver darin, feine Details aufzulösen, als jedes einzelne Teleskop, was es Astronomen ermöglicht, Objekte und Strukturen viel kleiner zu sehen, als das mit bloßem Auge oder sogar mit optischen Teleskopen möglich ist. Diese Technik wurde verwendet, um das Bild des Schwarzen Lochs und den von ihm erzeugten Licht-Halo in der Galaxie M87 zu erstellen.

Dank dieses hochauflösenden Ansatzes ermöglicht es VLBI Astronomen, diese Jets bis auf wenige Lichtjahre oder weniger von ihrer Quelle – dem Schwarzen Loch – zu untersuchen. Die Richtung des Jets auf diesen kleinen Skalen gibt uns Auskunft über die Orientierung der Akkretionsscheibe und dadurch möglicherweise über die Eigenschaften des Schwarzen Lochs selbst. Und dies ist derzeit die einzige Möglichkeit, solche Daten zu gewinnen.

Wie steht es um die Heimatgalaxien selbst? Eine Galaxie ist ein dreidimensionales Objekt, das Hunderte Milliarden Sterne umfasst. Doch scheint sie uns (beobachtet im Sichtbaren oder Infraroten) als eine Projektion, entweder als zweidimensionale Ellipse oder als Spirale.

Wir können die Form dieser Galaxien messen, indem wir das Leuchtprofil der Sterne nachzeichnen und die lange und kurze Achse der zweidimensionalen Form bestimmen.

In unserem kürzlich in Nature Astronomy veröffentlichten Artikel haben wir die Richtung der Quasar-Jets mit der Richtung der kurzen Achse der Galaxienellipse verglichen und festgestellt, dass sie miteinander verbunden sind.

Das ist erstaunlich, weil das Schwarze Loch so klein ist (der Jet, den wir messen, ist nur wenige Lichtjahre lang) im Vergleich zur Heimatgalaxie (die Hunderte von Tausenden Lichtjahren breit sein kann). Es ist überraschend, dass ein so kleines Objekt (relativ gesehen) die Umgebung auf so großem Maßstab beeinflussen oder von ihr beeinflusst werden kann. Man würde erwarten, eine Korrelation zwischen dem Jet und der Umgebung in der Nähe zu sehen, aber nicht mit der gesamten Galaxie.


Was sagt dies über die Entstehung von Galaxien aus? Spiralgalaxien kollidieren gelegentlich miteinander und formen elliptische Galaxien, die am Himmel wie Ellipsen erscheinen. Während des Verschmelzungsprozesses wird das Phänomen der Quasare auf eine Weise ausgelöst, die wir noch nicht vollständig verstehen. Das erklärt, warum nahezu alle Jets, die mit VLBI sichtbar gemacht werden können, in elliptischen Galaxien zu finden sind.

Die genaue Interpretation des Ergebnisses bleibt rätselhaft, aber sie ist bedeutsam im Kontext der jüngsten Entdeckungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop von sehr massereichen Quasaren (mit supermassiven Schwarzen Löchern), die sich viel früher im Universum gebildet haben, als bisher erwartet. Es ist offensichtlich, dass unser Verständnis der Galaxienentstehung und des Einflusses von Schwarzen Löchern auf dieses Phänomen überdacht werden muss.

Quelle: Observatorium von Paris