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Schwarze Löcher lassen liefern

Extragalaktische Gase sind wichtiges Futter für aktive Galaxienkerne

Galaxien
Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien beziehen ihr "Futter" auch von fremden Galaxien – durch einverleibte Gase. © NASA/ESA, Hubble Heritage Team

Nachschub von außen: Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien zehren nicht nur vom Material ihrer galaktischen Heimat – ein Großteil ihres „Futters“ könnte von außen kommen, wie Astronomen herausgefunden haben. Gasströme anderer Galaxien, die durch vergangene Kollisionen und nahe Passagen einverleibt wurden, liefern demnach oft den Nachschub für aktive Galaxienkerne. Das liefert wertvolle Hinweise auf die Mechanismen, durch die solche supermassereichen Schwarzen Löcher heranwachsen.

Im Herzen aller Galaxien – auch unserer Milchstraße – sitzen supermassereiche Schwarze Löcher. Die enorme Schwerkraft dieser Giganten prägt die Bewegungen der galaktischen Gase und Sterne, gleichzeitig beeinflusst ihre Aktivität die Sternbildung und damit auch das Galaxienwachstum. Sind die Schwarzen Löcher aktiv, setzen sie beim Verschlingen von Materie enorme Energiemengen in Form von Strahlung und Teilchenjets frei, die über Milliarden Lichtjahre sichtbar sind.

AGN
Aktive Schwarze Löcher spielen eine wichtige Rolle für die Sternbildung in ihren Galaxien. Aber woher nehmen sie ihr Futter? © ESO/M. Kornmesser, CC-by 4.0

Doch woher nehmen solche Schwarzen Löcher die Nahrung für ihr eigenes Wachstum? Astronomen haben zwar schon häufiger beobachtet, wie die Giganten Gas und einzelne Sterne verschlingen. Doch das allein kann das rasante Wachstum dieser Galaxienkerne nicht erklären – schon gar nicht im frühen Kosmos.

Verräterische Abweichungen

Eine mögliche Antwort liefert nun eine Beobachtung von Astronomen um Sandra Raimundo von der University of California in Los Angeles. Sie haben mithilfe des Anglo-Australian Telescope in Australien die Bewegungen von Gas und Sternen in 3.068 Galaxien näher untersucht. Dabei suchten sie nach Fällen, in denen die Sternenscheibe und die galaktischen Gase nicht in gleicher Richtung rotieren, sondern gegeneinander versetzt oder sogar in entgegengesetzter Richtung.

„Größere Abweichungen von mehr als 30 Grad gelten als klares Indiz für eine vergangene Interaktion der Galaxie, beispielsweise eine Galaxienverschmelzung, das Verschlucken einer Zwerggalaxie oder die Akkretion extragalaktischer Gase“, erklären Raimundo und ihre Kollegen. Letzteres kann vorkommen, wenn eine Galaxie nahen Nachbarn Gas absaugt oder dieses bei einer zurückliegenden Galaxienpassage an sich gerissen hat. Auch unsere Milchstraße hat große extragalaktische Anteile.

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Fremde Gase in jungen Galaxien

Das Spannende daran: Schon länger vermuten Astronomen, dass solche fremden, nicht konform rotierenden Gase eine wichtige Rolle für den Materialnachschub der zentralen Schwarzen Löcher spielen. „Die Präsenz von abweichend rotierenden Strukturen fördert den Einstrom von Gas ins galaktische Zentrum“, erklären die Forschenden. Dadurch bekommt das zentrale Schwarze Loch mehr „Futter“, als normalerweise im Kernbereich heranwachsender Galaxien vorhanden wäre.

Tatsächlich zeigten die Beobachtungsdaten, dass Diskrepanzen von Gas- und Sternbewegung vor allem bei jungen Galaxien häufig vorkommen: Bei immerhin 25 Prozent dieser elliptischen oder irregulären Galaxien waren Gasrichtung und Sternenscheibe mehr als 45 Grad gegeneinander geneigt. In vielen Fällen bildeten die Gase zehntausende von Lichtjahren weit nach außen reichende Ströme, die manchmal sogar noch bis zur Nachbargalaxie reichten.

Extragalaktisches Futter steigert Aktivität

Und nicht nur das: In den Galaxien mit extragalaktischen Gasanteilen waren auch die zentralen Schwarzen Löcher signifikant häufiger aktiv. 20 Prozent aller Fehlstellungs-Galaxien hatten aktive Galaxienkerne, 43 Prozent zeigten eine LINER-Signatur, wie die Astronomen feststellten. Solche LINER-Galaxien haben besonders viel ionisiertes Gas in ihrem Zentrum und gelten daher als Übergangsstufe zwischen inaktiven und aktiven Galaxienkernen.

„Damit belegt unsere Studie, dass die Präsenz von gegen die Sterne verschobenem Gas mit einem höheren Anteil aktiver supermassereicher Schwarzer Löcher verknüpft ist“, sagt Raimundo. Denn von Galaxien ohne solche einverleibten Fremdgase hatten nur sieben Prozent aktive Galaxienkerne und 15 Prozent waren LINER-Galaxien. „Es ist offensichtlich, dass die Bedingungen in den Fehlstellungsgalaxien besonders günstig für aktive Galaxienkerne und LINER sind“, so das Team.

Mehr Nachschub für das Schwarze Loch

Die Astronomen vermuten, dass das fremde Gas aus zwei Gründen gut zur „Fütterung“ geeignet ist: Zum einen füllt es die internen Gasvorräte der Heimatgalaxie auf, wodurch schlicht mehr Nachschub für das Schwarze Loch zur Verfügung steht. Zum anderen verringern solche Komponenten mit abweichender Bewegung den Drehimpuls des galaktischen Materials. Das Gas wird dadurch abgebremst und fällt schneller ins Zentrum der Galaxie.

Nach Ansicht der Forschenden bestätigen ihre Ergebnisse, dass Verschmelzungen und extragalaktische Gasströme eine wichtige Rolle für die „Ernährung“ supermassereicher Schwarzer Löcher spielen. „Das ist das erste Mal, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Präsenz von fremdem Gas und dem Futternachschub für aktive Schwarze Löcher nachgewiesen wird“, sagt Koautorin Marianne Vestergaard vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen. (Nature Astronomy, 2023; doi: 10.1038/s41550-022-01880-z)

Quelle: Nature, University of Southampton

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