Vulkanische Erinnerungen: Schwarze Löcher geben Blasen, Ringen und intergalaktischen Rauch-Filamenten ihre Form

18. Oktober 2021, von MIN-Dekanat

Foto: Brienza/LOFAR

Ein noch nie dagewesener Detailreichtum: Diese faszinierenden Strukturen aus heißem Gas bilden die wiederkehrende Aktivität supermassereicher Schwarzer Löcher ab, die bis zu 200 Millionen Jahre zurückreicht, und haben großen Einfluss auf die Entwicklung des intergalaktischen Mediums.

Ein internationales Team unter Beteiligung der Universität Hamburg hat zum ersten Mal die Entwicklung von heißem Gas beobachtet, das von einem aktiven Schwarzen Loch stammt. Diese Strukturen, die stark an Rauchfahnen von Vulkanausbrüchen erinnern, konnten in einem noch nie dagewesenen Detailreichtum und auf einer Zeitskala von hundert Millionen Jahren beobachtet werden. Die dabei entstandene Studie konzentrierte sich auf das System Nest200047 - eine Gruppe von etwa 20 Galaxien in rund 200 Millionen Lichtjahren Entfernung und wurde in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Die zentrale Galaxie des Systems Nest200047 beherbergt ein aktives Schwarzes Loch, um das herum die Forscherinnen und Forscher Gasblasen, einige unbekannte Filamente von relativistischen Teilchen und Magnetfeldern in einer Größe von Hunderttausenden von Lichtjahren beobachteten.

Diese Beobachtungen waren dank LOFAR (LOw Frequency ARray), dem größten Niederfrequenz-Radioteleskop der Welt, möglich. LOFAR kann Radiowellen auffangen, die von den sehr schnellen elektrisch geladenen Teilchen erzeugt werden. Dieses hochmoderne Instrument ist das Ergebnis großer wissenschaftlicher Anstrengungen von neun europäischen Ländern und ermöglichte es den Forschenden, in die Zeit vor mehr als 100 Millionen Jahren zurückzugehen und die Aktivität des Schwarzen Lochs im Zentrum von Nest200047 nachzuvollziehen.

„Unsere Untersuchung zeigt, wie sich diese durch das Schwarze Loch beschleunigten Gasblasen ausdehnen und im Laufe der Zeit verändern. Dabei entstehen spektakuläre pilzförmige Strukturen, Ringe und Filamente, die denen eines gewaltigen Vulkanausbruchs auf der Erde ähneln“, erklärt Marcus Brüggen vom Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg sowie Physikprofessor an der Hamburger Sternwarte als einer der Mitautoren dieser Arbeit.

Im Kern jeder Galaxie befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen. Die Aktivität eines solchen Schwarzen Lochs hat einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der Galaxie und der intergalaktischen Umgebung, in der sie sich befindet. Seit Jahren versuchen Forscherinnen und Forscher herauszufinden, auf welche Art und Weise und in welchem Tempo die Aktivität dieser schwarzen Löcher diese Aktivitäten hervorruft.

Wenn Schwarze Löcher aktiv sind, ziehen sie Umgebungsgas an und setzen dabei enorme Mengen an Energie frei. Manchmal erfolgt die Energiefreisetzung in Form von Teilchenströmen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und Radiowellen erzeugen. Diese Ströme wiederum erzeugen Blasen, die langsam aufsteigen und das sie umgebende intergalaktische Medium aufheizen. Dies hat einen immensen Einfluss auf die Entwicklung des intergalaktischen Mediums und folglich auch auf die weitere Entwicklung der Galaxie, zum Beispiel ob sie weiter anwächst.

„Die Studie zeigt, dass sich der Einfluss aktiver Schwarzer Löcher auf Skalen bewegt, die bis zu hundert Mal größer sind als die umgebende Galaxie selbst, und dass ein solcher Einfluss bis zu Hunderte von Millionen Jahren andauert,“ erläutert Franceso de Gasperin vom Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg und Physikprofessor an der Hamburger Sternwarte sowie Mitautor der Studie.

Für ihre Arbeit nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch Beobachtungen von eROSITA, dem neuen Röntgenteleskop an Bord des russisch-deutschen Weltraumobservatoriums "Spectrum-Roentgen-Gamma" (SRG), an dem die Universität Hamburg maßgeblich beteiligt ist.

Diese Beobachtungen brachten weitere unerwartete Entdeckungen mit sich: dünne Gasfilamente, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und eine Million Lichtjahre große Magnetfelder.