Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 19. Juni 2024.

19. Juni 2024 – Ende 2019 begann die zuvor unauffällige Galaxie SDSS1335+0728 plötzlich heller zu leuchten als je zuvor. Um den Ursachen auf den Grund zu gehen, haben Astronomen Daten von mehreren Weltraum- und Bodenobservatorien, darunter das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO), verwendet, um die Helligkeitsschwankungen der Galaxie nachzuverfolgen. In einer heute veröffentlichten Studie kommen sie zu dem Schluss, dass sie bisher noch nie beobachtete Veränderungen in einer Galaxie sehen – wahrscheinlich das Ergebnis des plötzlichen Erwachens des massereichen Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum.

„Stellen Sie sich vor, Sie beobachten eine weit entfernte Galaxie seit Jahren, und sie schien immer ruhig und inaktiv zu sein“, sagt Paula Sánchez Sáez, eine Astronomin der ESO in Deutschland und Hauptautorin der Studie, die zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen wurde. „Plötzlich zeigt ihr [Kern] dramatische Veränderungen in der Helligkeit, die sich von allen typischen Ereignissen, die wir bisher gesehen haben, unterscheiden.“ Genau das ist mit SDSS1335+0728 passiert, das nun als „aktiver galaktischer Kern“ (AGN) eingestuft wird – eine helle, kompakte Region, die von einem massereichen Schwarzen Loch angetrieben wird – nachdem es sich im Dezember 2019 dramatisch aufgehellt hatte [1].

Einige Phänomene, wie Supernova-Explosionen oder das durch Gezeitenkräfte verursachte Auseinanderbrechen von Sternen, bei denen ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt und auseinandergerissen wird, können dazu führen, dass Galaxien plötzlich heller leuchten. Diese Helligkeitsschwankungen dauern jedoch in der Regel nur einige Dutzend oder höchstens einige Hundert Tage an. SDSS1335+0728 wird auch heute noch heller, mehr als vier Jahre, nachdem zum ersten Mal beobachtet wurde, dass sie „aufleuchtet“. Weiterhin sind die in der Galaxie, die sich 300 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau befindet, festgestellten Schwankungen anders als alle bisher beobachteten und weisen die Astronomen auf eine andere Erklärung hin.

Das Team versuchte, diese Helligkeitsschwankungen mithilfe einer Kombination aus Archivdaten und neuen Beobachtungen von mehreren Standorten, darunter dem X-Shooter-Instrument am VLT der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste, zu verstehen [2]. Beim Vergleich der vor und nach Dezember 2019 aufgenommenen Daten stellten sie fest, dass SDSS1335+0728 jetzt viel mehr Licht im ultravioletten, optischen und infraroten Wellenlängenbereich abstrahlt. Die Galaxie begann im Februar 2024 auch mit der Aussendung von Röntgenstrahlen. „Dieses Verhalten ist beispiellos“, sagt Sánchez Sáez, die auch mit dem Millennium Institute of Astrophysics (MAS) in Chile verbunden ist.

„Die naheliegendste Erklärung für dieses Phänomen ist, dass wir beobachten, wie der [Kern] der Galaxie anfängt, (…) Aktivität zu zeigen“, sagt die Co-Autorin Lorena Hernández García vom MAS und der Universität Valparaíso in Chile. „Wenn das stimmt, wäre dies das erste Mal, dass wir die Aktivierung eines massereichen Schwarzen Lochs in Echtzeit beobachten.“

Massereiche Schwarze Löcher – mit Massen, die über hunderttausend Mal größer sind als die unserer Sonne – existieren im Zentrum der meisten Galaxien, einschließlich der Milchstraße. „Diese Giganten schlafen normalerweise und sind nicht direkt sichtbar“, erklärt der Co-Autor Claudio Ricci von der Diego-Portales-Universität, ebenfalls in Chile. „Im Fall von SDSS1335+0728 konnten wir das Erwachen des massereichen Schwarzen Lochs beobachten, das sich plötzlich das in seiner Umgebung vorhandene Gas einverleibte und sehr hell wurde.“

„Dieser Prozess (…) wurde noch nie zuvor beobachtet“, sagt Hernández García. In früheren Studien wurde zwar berichtet, dass inaktive Galaxien nach mehreren Jahren aktiv werden, doch dies ist das erste Mal, dass der Prozess selbst – das Erwachen des Schwarzen Lochs – in Echtzeit beobachtet wurde. Ricci, der auch mit dem Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik an der Peking-Universität in China verbunden ist, fügt hinzu: „Das könnte auch bei unserem eigenen Sgr A*, dem massereichen Schwarzen Loch (…) im Zentrum unserer Galaxie, passieren“, aber es ist unklar, wie wahrscheinlich dies ist.

Es sind noch weitere Beobachtungen erforderlich, um alternative Erklärungen auszuschließen. Eine andere Möglichkeit ist, dass wir ein ungewöhnlich langsames Ereignis der Gezeitenstörung oder sogar ein neues Phänomen beobachten. Wenn es sich tatsächlich um ein Ereignis der Gezeitenstörung handelt, wäre dies das längste und schwächste Ereignis dieser Art, das jemals beobachtet wurde. „Unabhängig von der Art der Schwankungen liefert [diese Galaxie] wertvolle Informationen darüber, wie Schwarze Löcher wachsen und sich entwickeln“, sagt Sánchez Sáez. „Wir gehen davon aus, dass Instrumente wie [MUSE am VLT oder die Instrumente am zukünftigen Extremely Large Telescope (ELT)] entscheidend zum Verständnis beitragen werden [warum die Galaxie heller wird].“

Endnoten
[1] Die ungewöhnlichen Helligkeitsschwankungen der Galaxie SDSS1335+0728 wurden vom Zwicky-Transient-Facility-Teleskop (ZTF) in den USA entdeckt. Anschließend stufte der von Chile aus geleitete Algorithmus Automatic Learning for the Rapid Classification of Events (ALeRCE) SDSS1335+0728 als aktiven Galaxienkern ein.

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in einem Artikel mit dem Titel „SDSS1335+0728: The awakening of a ∼ 106M⊙ black hole” veröffentlicht, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics (https://aanda.org/10.1051/0004-6361/202347957) erschienen ist.

Das Team besteht aus P. Sánchez-Sáez (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland [ESO] und Millenium Institute of Astrophysics, Chile [MAS]), L. Hernández-García (MAS und Instituto de Física y Astronomía, Universidad de Valparaíso, Chile [IFA-UV]), S. Bernal (IFA-UV und Millennium Nucleus on Transversal Research and Technology to Explore Supermass , Chile [TITANS]), A. Bayo (ESO), G. Calistro Rivera (ESO und Deutsche Luft- und Raumfahrtgesellschaft [DLR]), F. E. Bauer (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile; Centro de Astroingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile; MAS; und Space Science Institute, USA), C. Ricci (Instituto de Estudios Ast rofísicos, Universidad Diego Portales, Chile [UDP] und Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, China), A. Merloni (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Deutschland [MPE]), M. J. Graham (California Institute of Technology, USA), R. Cartier (Gemini Observatory, NSF National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, Chile, und UDP), P. Arévalo (IFA-UV und TITANS), R.J. Assel (UDP), A. Concas (ESO und INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italien), D. Homan (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland [AIP]), M. Krumpe (AIP), P. Lira (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Chile [UChile], und TITANS), A. Malyali (MPE), M. L. Martínez-Aldama (Astronomy Department, Universidad de Concepción, Chile), A. M. Muñoz Arancibia (MAS und Center for Mathematical Modeling, University of Chile, Chile [CMM-UChile]), A. Rau (MPE), G. Bruni ( INAF – Institut für Weltraumastrophysik und Planetologie, Italien), F. Förster (Data and Artificial Intelligence Initiative, Universität Chile, Chile; MAS; CMM-UChile; und UChile), M. Pavez-Herrera (MAS), D. Tubín-Arenas (AIP) und M. Brightman (Cahill Center for Astrophysics, California Institute of Technology, USA).

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Originalpublikation:
P. Sánchez-Sáez et al., „SDSS1335+0728: The awakening of a ∼ 10^6 M⊙ black hole“, Astronomy & Astrophysics (202)
DOI: 10.1051/0004-6361/202347957
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/08/aa47957-23/aa47957-23.html

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 31. August 2023.

31. August 2023 – Ein internationales Team von Forscherinnen und Forschern unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat Blazare untersucht, dabei handelt es sich um akkretierende supermassereiche schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. Blazare sind Objekte, bei denen einer der von dem aktiven galaktischen Kern emittierten Jets direkt auf die Erde gerichtet ist. Die Forscher können nachweisen, dass die beobachtete Variabilität der Blazare auf die Präzession der Jet-Quelle zurückzuführen ist, die entweder durch die Anwesenheit eines zweiten massereichen Schwarzen Lochs in der Nähe des primären Schwarzen Lochs oder durch eine verkrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird.

Mit dem Begriff „Blazar“ bezeichnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eines der dramatischsten Beispiele im Zoo von aktiven galaktischen Kernen (AGN), also akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien. Blazare heißen die Schwarzen Löcher, deren Jet direkt auf die Erde gerichtet ist.

Die Ergebnisse der jahrzehntelangen Untersuchungen von Blazaren wurden stets so interpretiert, dass die häufige und deutliche Aufhellung dieser Quellen, die so genannte Flare-Aktivität, mit dem Ausstoß von Jet-Komponenten aus dem Kern in den Jet verbunden ist, was zu einer plötzlich verstärkten Emission führt.

Jets von Blazaren sind oft gekrümmt und nicht so linear ausgerichtet, wie man es erwarten könnte. Man nimmt an, dass gewundene Jetstrukturen mit dem Ausstoß von Komponenten aus dem Kern zusammenhängen. Es wurde vermutet, dass sowohl die gewundenen Jets als auch die Aufhellung der Zentralquelle einen zufälligen Ursprung haben – abhängig von der Fütterung des Schwarzen Lochs. Im Laufe der Jahre haben jedoch immer detailliertere Beobachtungsergebnisse Zweifel an diesem möglicherweise zu einfach angesetzten Zusammenhang aufkommen lassen.

Eine neue Veröffentlichung im „Astrophysical Journal“ stellt die angenommene Beziehung zwischen Ausstoß und Aufflackern für die hellen und stark veränderlichen Blazare in Frage. „Wir präsentieren Beweise und diskutieren die Möglichkeit, dass die tatsächliche Ursache eine Präzession der Jet-Quelle ist, die entweder durch ein supermassereiches binäres Schwarzes Loch am Fußpunkt des Jets oder – weniger wahrscheinlich – durch eine gekrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird, die für die beobachtete Variabilität verantwortlich ist“, sagt Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die Erstautorin der Untersuchung.

Wenn Jets aufgrund der Präzession herumwirbeln, führt diese Bewegung aufgrund des Doppler-Effekts zu periodischen Änderungen der Intensität (siehe Abb. 1 oben für eine vereinfachte Darstellung des Effekts). Dieser Effekt wurde bei einer Reihe von Jets in aktiven Galaxienkernen über viele Jahre hinweg festgestellt.

Für OJ 287 – den besten Kandidaten für ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch – konnten Silke Britzen und ihr Team in ihrer „Rosetta“-Veröffentlichung die Präzession als Ursache für die starken Helligkeitsschwankungen und die Jet-Biegung nachweisen. Erst kürzlich wurden Vorhersagen aus ihrer Veröffentlichung von Komossa et al. bestätigt (siehe MPIfR-Pressemitteilung vom 23. Februar 2023).

Die Autoren haben das gleiche Modell nun auch auf andere Blazare angewendet. Für eine Stichprobe von 12 prominenten AGN zeigen ihre Ergebnisse, dass die Variabilität in der Helligkeit und in der Jet-Krümmung tatsächlich durch den Einfluss der Präzession erklärt werden kann.

Die Autoren bezweifeln nicht, dass die zugrundeliegende und schwer zu erforschende Jet-Physik auch durch interne Wechselwirkungen im Jet verursacht werden kann, die durch das so genannte Schock-in-Jet-Modell, durch Instabilitäten im Jet-Strahl oder durch energetische magnetische Rekonnexionen erklärt werden können. Allerdings wird das Aussehen der Jets durch die Präzession stark moduliert und verändert. Jets würden nicht so gekrümmt und so hell erscheinen, wäre die Präzession nicht am Werk.

Mit dem Wissen um die Auswirkungen der Präzession kann nun das Zusammenspiel eines kinematischen Systems erforscht werden, das im Wesentlichen vorhersagbar ist, da es geometrisch verstanden und modelliert werden kann (siehe Abb. 2 rechts und Video / Animation unten).

„Die Blazar-Variabilität in vielen Galaxien dürfte überwiegend nicht stochastischer, sondern eher deterministischer Natur sein“, ergänzt Silke Britzen. „Es ist faszinierend, das Innenleben der Maschinerie aktiver Galaxienkerne mit Hilfe von Variabilitätsstudien zu entschlüsseln.“

Eine der wichtigsten Folgerungen aus dieser Studie ist, dass die Krümmung des Jets wahrscheinlich ein Hinweis auf die Existenz von binären Schwarzen Löchern im Zentrum dieser Galaxien ist. So wird der Jet durch den Gravitationseinfluss eines zweiten Schwarzen Lochs auf das den Jet erzeugende Schwarze Loch zu einer mäandernden Bewegung gezwungen. Es gelang dem Team auch, Spuren einer Nutationsbewegung kleinerer Amplitude in den Radio-Lichtkurven sowie in der Kinematik der Jet-Komponenten nachzuweisen – das ist ein Effekt zweiter Ordnung und ein weiterer Beweis für die Präzession.

„Die Physik von Akkretionsscheiben und Jets ist ziemlich komplex, aber ihre Hauptkinematik kann mit einfachen Kreiseln verglichen werden – wenn man ein externes Drehmoment auf eine Akkretionsscheibe ausübt, zum Beispiel durch ein umlaufendes sekundäres Schwarzes Loch, wird sie eine Präzessions- und ebenso eine Nutationsbewegung ausführen, und mit ihr auch der Jet. Das ist ähnlich wie bei der Rotationsachse der Erde, die von Mond und Sonne beeinflusst wird“, fügt Michal Zajaček von der Masaryk-Universität (Brünn, Tschechische Republik), ein Mitautor der Studie, hinzu.

Radiobeobachtungen erreichen die höchste Auflösung bei astronomischen Beobachtungen, indem Radioteleskope über sehr große Entfernungen mit der „Very Long Baseline Radio Interferometry“ (VLBI) verbunden werden. Dies ist die gleiche Technik, die es dem Event-Horizon-Teleskop (EHT) ermöglichte, zum ersten Mal den Schatten eines Schwarzen Lochs abzubilden und das 6,5 Milliarden Sonnenmassen umfassende Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 zu beobachten.

Die Suche nach engen Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher läuft seit Jahrzehnten und gleicht der Suche nach einer Stecknadel im Heuhaufen.

„Noch fehlt uns die ausreichende Auflösung, um die Existenz von supermassereichen binären Schwarzen Löchern direkt nachzuweisen. Aber die Präzession ihrer Jets scheint die beste Signatur solcher Objekte zu sein, deren Existenz nicht nur von Forschergruppen im Bereich Schwarze Löcher und AGNs erwartet wird, sondern auch im Bereich der Gravitationswellen, wo erst vor kurzem Beweise für die Existenz eines kosmischen Gravitationshintergrunds veröffentlicht wurden, der auf die Gravitationswellen zurückzuführen ist, die bei der Verschmelzungen massereicher Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Geschichte ausgesandt werden“, schließt Silke Britzen.

Weitere Informationen:
Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in der Regel in den Zentren von Galaxien. In aktiven Galaxien wird davon ausgegangen, dass die Akkretion von Materie auf das zentrale Schwarze Loch die enormen Energiemengen erzeugt, die die gesamte Galaxie überstrahlen können – das macht solche zentralen Regionen, die als Aktive Galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden, zu den leuchtkräftigsten, beständigen Quellen im Universum.

Ausgedehnte, bipolare Plasmastrahlen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, so genannte Jets, werden durch ein starkes Magnetfeld aus der Zentralregion eines supermassereichen Schwarzen Lochs ausgestoßen.

Es wird beobachtet, dass sich helle Flecken im Jet, so genannte Jet-Komponenten, in den Jets mitbewegen. Diese Komponenten scheinen sich oft mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen. Das steht jedoch nicht im Widerspruch zu Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, da es sich leicht durch einen bekannten relativistischen Projektionseffekt erklären lässt. Da sich das Strahlmaterial mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt und auf den Beobachter gerichtet ist, erscheint die beobachtete Geschwindigkeit erhöht, da sich die beobachtete Ankunftszeit des Lichts verkürzt, wenn sich die Komponente auf den Beobachter zubewegt. Gleichzeitig wird die Intensität durch so genanntes relativistisches Beaming verstärkt, was auf verschiedene Weise überprüft werden kann, z. B. durch die Untersuchung der Helligkeitsänderung in den Jets. Die physikalischen Prozesse, die erklären, wie diese Komponenten entstehen, sind noch unbekannt.

Das Forscherteam umfasst Silke Britzen, Michal Zajaček, Gopal-Krishna, Christian Fendt, Emma Kun, Frédéric Jaron, Aimo Sillanpää, und Andreas Eckart. Silke Britzen und Andreas Eckart haben beide eine MPIfR-Zugehörigkeit.

Originalveröffentlichung:
Precession-induced Variability in AGN Jets and OJ 287
S. Britzen et al., in The Astrophysical Journal, 951, 106. DOI: 0.3847/1538-4357/accbbc,
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc,
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc/pdf.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 31. Januar 2023.

31. Januar 2023 – Bei der Analyse von Daten aus dem eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ haben Forschende am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) eine schwache Röntgenquelle gefunden, die sie als sehr weit entfernten Quasar identifizieren konnten. Dies ist die bisher am weitesten entfernte zufällige Röntgendetektion. Das supermassereiche Schwarze Loch akkretiert mit einer extrem hohen Rate Materie; damit ist der Quasar für seine enorme Entfernung – mit einer Rotverschiebung von z = 6,56 – sehr viel heller als erwartet. Sein vor fast 13 Milliarden Jahren abgestrahltes Licht ermöglicht es den Astronominnen und Astronomen, das Wachstum von Schwarzen Löchern im frühen Universum zu untersuchen.

Supermassereiche Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien lassen sich auch auf große Entfernungen nachweisen – aber nur, wenn sie Materie ansammeln, die sich erhitzt und hell leuchtet. Dadurch bekommt das Galaxienzentrum einen „aktiven galaktischen Kern“ (AGN). Diese so genannten „Quasare“, oder quasi-stellaren Objekte, überstrahlen dann den Rest ihrer Galaxie. Sie leuchten im Röntgenbereich heller als alle anderen Objekte im Universum, sind aber bei großen Entfernungen dennoch schwer zu entdecken und extrem selten. Bisher wurden bei Rotverschiebungen von z > 5,7 – als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war – erst etwa 50 Quasare mit Röntgenteleskopen entdeckt.

Bei der Analyse von Röntgendaten des eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ (eFEDS), die während der Leistungsüberprüfungsphase des eROSITA-Teleskops im Jahr 2019 aufgenommen wurden, fand das eROSITA-Team eine neue Punktquelle. In einer Zusammenarbeit mit Kollegen vom Subaru-Teleskop identifizierten sie das Röntgenlicht als den bereits bekannten Quasar J0921+0007. Dieser war ursprünglich mit einer Rotverschiebung von 6,56 von einer Forschungsgruppe entdeckt worden, die mit Subaru nach entfernten Quellen suchte. Gezielte Folgebeobachtungen bei Infrarotwellenlängen zeigten nun, dass das Schwarze Loch eine Masse von 250 Millionen Sonnen hat – relativ wenig für ein supermassereiches Schwarzes Loch in dieser Entfernung. Weitere Folgebeobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra bestätigten die von eROSITA gemessene hohe Leuchtkraft, die auf eine sehr hohe Akkretionsrate hinweist.

„Wir haben nicht erwartet, einen aktiven Galaxienkern mit so geringer Masse bereits in unserer ersten Mini-Durchmusterung mit eROSITA zu finden“, sagt Julien Wolf, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPE in den eROSITA-Daten nach weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löchern sucht. „Es ist der bisher am weitesten entfernte zufällige Fund im Röntgenbereich. Zudem sind seine Eigenschaften eher untypisch für Quasare bei so hohen Rotverschiebungen: Er ist im sichtbaren Licht sehr schwach, gleichzeitig aber sehr leuchtstark im Röntgenlicht.“

Der von eROSITA aufgespürte Quasar weist Eigenschaften auf, die einer besonderen Klasse von sogenannten Seyfert-1-Galaxien im lokalen Universum ähneln. Diese besitzen supermassereiche Schwarze Löcher von unter 100 Millionen Sonnenmassen in ihren Zentren und akkretieren Materie mit hoher Geschwindigkeit. Diese Seyfert-1-Galaxien könnten daher jünger als ihre massereicheren Geschwister sein.

„Die Suche nach seltenen Objekten wie diesem erfordert Astronomie bei vielen unterschiedlichen Wellenlängen, die eROSITAs großes Blickfeld im Röntgenbereich ergänzen“, betont Mara Salvato, Sprecherin von eROSITA. „Glücklicherweise ist der größte Teil des Himmels bei optischen und infraroten Wellenlängen bereits kartiert, und gerade die Daten des Subaru-Teleskopes reichen für das eFEDS-Feld besonders tief und damit in die jüngsten Zeiten des Universums zurück.“

Die meisten aktiven Galaxien mit hohen Rotverschiebungen, das heißt in großen Entfernungen, beherbergen Schwarze Löcher von einer bis zehn Milliarden Sonnenmassen. Es sollte jedoch auch viele entfernte AGNs mit weniger massereichen Schwarzen Löchern geben. Damit Teleskope und Satelliten sie überhaupt beobachten können, müssen diese dann allerdings sehr schnell Materie ansammeln, um hell genug zu leuchten.

Zusätzlich zu ihrem Zufallsfund entdeckte das Team noch einen weiteren hellen und ähnlich weit entfernten Quasar im selben Beobachtungsfeld. „eROSITA eignet sich besonders gut dafür, seltene Röntgenobjekte wie diesen leistungsstarken Quasar mit hoher Rotverschiebung, zu finden und zu kartieren“, sagt Kirpal Nandra, Direktor für Hochenergiephysik am MPE. „Dies ist nun das zweite derartige Objekt, das wir in eFEDS gefunden haben, obwohl wir sie in diesem Feld gar nicht erwartet hatten.“

Die ersten eROSITA-Daten sind nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Basierend auf diesen ersten Entdeckungen erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass sie mit der eROSITA Himmelsdurchmusterung Hunderte von Quasaren finden könnten. Um diese schwer fassbare Population noch unbekannter entfernter Quasare zu finden, hat das Team ein umfangreiches Programm zur Analyse der eROSITA-Himmelsdurchmusterung entwickelt. Diese führte bereits zur Entdeckung von fünf neuen, im Röntgenlicht leuchtenden Quasaren bei z>5,6, die bald in einer weiteren Veröffentlichung vorgestellt werden. Gleichzeitig meldete ein russisches Forscherteam die ersten eROSITA-Entdeckungen bei hoher Rotverschiebung in der nördlichen Hemisphäre.

Objekte wie diese sind derzeit die beste Möglichkeit, die Entstehung Schwarzer Löcher in frühen Universum zu verstehen. Sollten sich die überraschenden eFEDS-Entdeckungen in einem größeren Datensatz bestätigen, könnte dies eine Herausforderung für einige evolutionäre Modelle darstellen.

Publikation:
X-ray emission from a rapidly accreting narrow-line Seyfert 1 galaxy at z=6.56
J. Wolf, K. Nandra, M. Salvato, et al.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44688-22/aa44688-22.html

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) haben in der eROSITA-Himmelsdurchmusterung ein spektakuläres, sich wiederholendes Ereignis entdeckt. Im Zentrum einer ansonsten unscheinbaren Galaxie ereignen sich regelmäßig alle 220 Tage helle Röntgenausbrüche. Diese deuten auf einen Stern, der das dort befindliche massereiche Schwarze Loch umkreist und dabei in regelmäßigen Umläufen „füttert“. Solche Ereignisse könnten wirksame Mittel sein, um die Akkretionsprozesse und das Gravitationsfeld um supermassereiche Schwarze Löcher in anderen Galaxien zu erforschen.

Die meisten Galaxien im Universum beherbergen ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Beobachtungen deuten auf ein symbiotisches Wachstum dieser Schwarzen Löcher und deren Wirtsgalaxien hin. Diese Studien konzentrieren sich hauptsächlich auf „aktive“ Galaxien, in denen das zentrale Schwarze Loch ständig große Mengen an Materie ansammelt. Diese heizt sich auf und leuchtet sehr hell. Aktive Galaxien (oder Galaxien mit „aktiven galaktischen Kernen“, AGN) sind jedoch eine Minderheit gegenüber ruhigen Galaxien. Bei diesen ist es viel schwieriger die Eigenschaften des supermassereichen schwarzen Lochs im Kern zu untersuchen.

Gelegentlich kommt es vor, dass ein Stern zu nahe an das zentrale Schwarze Loch einer Galaxie wandert und durch dessen starke Gezeitenkräfte zerrissen wird (engl: „tidal disruption event“). Ein Teil der Materie des Sterns fällt in das Schwarze Loch und erhöht damit die „Fütterungsrate“ des Gravitationsmonsters vorübergehend. Diesen Prozess können Astronomen als kurzzeitige helle Blitze im Röntgen- und UV-Bereich beobachten. Derartige Ereignisse treten in einer gewöhnlichen Galaxie nur etwa alle 10.000 Jahre auf und sind damit sehr selten. Die meisten bisher beobachteten Kandidaten waren einmalige Ereignisse, die aufgrund der Zerstörung des Sterns einen einzigen Ausbruch zeigten. In jüngster Zeit wurden nun einige veränderliche Ereignisse entdeckt, die periodische oder sich wiederholende Ausbrüche zeigen. Diese könnten auf Sterne zurückzuführen sein, die ihre erste Begegnung glücklicherweise überleben: Anstatt vollständig zerstört zu werden, umkreist der Überrest das supermassereiche Schwarze Loch, wobei er Teile seiner äußeren Schichten verliert und das Schwarze Loch bei jeder Passage erneut füttert.

„Solche sich wiederholenden, teilweisen Zerstörungen könnten ein effektives Mittel sein, um den Akkretionsprozess um supermassereiche Schwarze Löcher zu erforschen“, betont Zhu Liu, der Hauptautor der Studie am MPE. „Mit Hilfe von eROSITA haben wir jetzt eine faszinierende veränderliche Quelle gefunden, bei der sich der Röntgenausbruch in einer ansonsten ruhigen Galaxie regelmäßig wiederholt.“

Während der Durchmusterung des gesamten Himmels beobachtet das eROSITA-Röntgenteleskop jeden Punkt am Himmel mehrfach und hat dabei energiereiche veränderliche Quellen in Galaxien entdeckt, die keine Anzeichen früherer Aktivität in ihren Zentren aufwiesen. Die neue Quelle, J0456-20, die im Februar 2021 entdeckt wurde, befindet sich in einer ruhigen Galaxie, die etwa 1 Milliarde Lichtjahre entfernt ist. Sie ist eine Röntgenquelle mit einer der höchsten Variabilitäten, die von eROSITA beobachtet wurden; innerhalb einer Woche nimmt der Röntgenfluss um den Faktor 100 ab. Insgesamt beobachteten die Astronomen drei vollständige Zyklen der Quelle, bei der sich die Röntgenausbrüche in einem Zeitraum von etwa 220 Tagen wiederholten. Nachfolgende optische Beobachtungen zeigten eine normale ruhige Galaxie, während die wiederholten Röntgeneruptionen stark auf eine sich wiederholende, teilweise Gezeitenstörung hindeuten.

„Wir schätzen, dass der Stern, der das Schwarze Loch umkreist, beim ersten, zweiten und dritten Zyklus jeweils nur eine Masse verloren hat, die 5 %, 1,5 % und 0,5 % unserer Sonne entspräche“, erklärt Adam Malyali, Postdoc am MPE. „Diese Werte sind so niedrig, dass der Stern tatsächlich mehrere Annäherungen an das zentrale Schwarze Loch überleben könnte.“

Mithilfe einer Kooperation mit den ATCA-Teleskopen in Australien konnte das Team zudem veränderliche Radioemission bei der Quelle J0456-20 nachweisen, welche ein deutlicher Hinweis auf einen Ausfluss von Gas darstellt. Zusammen mit dem charakteristischen Verlauf der Röntgenstrahlung ergeben sich damit zwingende Hinweise auf Veränderungen in der Struktur der Akkretionsscheibe um das supermassereiche Schwarze Loch.

„Weitere Beobachtungen sind notwendig, um die genauen Details der physikalischen Prozesse zu ergründen“, sagt Andrea Merloni, der wissenschaftliche Leiter von eROSITA. „Dennoch liefert die Entdeckung dieses sich wiederholenden Röntgenereignisses bereits jetzt einen soliden Beweis dafür, dass es Sterne gibt, die eng um supermassereiche Schwarze Löcher jenseits unserer eigenen Milchstraße kreisen. Diese könnten ein ideales Labor sein, um die Allgemeine Relativitätstheorie in sehr starken Gravitationsfeldern zu testen.“

eROSITA hat bereits andere sich wiederholende Röntgenquellen gefunden, z.B. zwei quasi-periodische Eruptionen in AGN. Für die Zukunft erwartet das Team weitere Entdeckungen mit eROSITA, aber auch mit dem Ende 2023 startenden „Einstein Probe“-Satelliten.

Originalveröffentlichung
Zhu Liu, A. Malyali, M. Krumpe et al.
Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3
A&A, 669, A75, doi.org/10.1051/0004-6361/202244805,
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html.

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• Schwarze Löcher
• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)
• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Oktober 2022.

25. Oktober 2022 – Untersuchungen des Zusammenspiels zwischen Sternentstehung und dem interstellaren Medium sind wichtig, um die Entwicklung von Galaxien zu verstehen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei unter Mitarbeit von mehreren Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico hochaufgelöste Radiobeobachtungen der Nachbargalaxie Messier 33 in der lokalen Gruppe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass in M33 ein direkter Zusammenhang zwischen molekularem Gas und Sternentstehung besteht. Die Entstehung von massereichen Sternen verstärkt das Magnetfeld und erhöht die Zahl der hochenergetischen Elektronen der kosmischen Strahlung, die wiederum die Entstehung von galaktischen Winden und Ausströmungen begünstigen können.

Die Studie wird in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

Galaxien sind Systeme aus Sternen und interstellarem Gas in Wechselwirkung. Beobachtungen zeigen, dass Galaxien heute weniger Sterne bilden als in der Vergangenheit. Da für die Entstehung von Sternen kaltes Gas benötigt wird, bringen Modellrechnungen die Verlangsamung dieses Prozesses und die beobachtete Entwicklung von Galaxien mit galaktischen Winden in Verbindung, durch die kaltes Gas abtransportiert wird.

Galaktische Winde entstehen in den Scheiben von Galaxien und erstrecken sich auf den Halo und das intergalaktische Medium; ihr Ursprung ist jedoch noch umstritten. Supernova-Explosionen und aktive galaktische Kerne (AGN) können starke Winde antreiben. Ihrer Rolle bei der Behinderung von Sternentstehung steht die Tatsache entgegen, dass das Gas ihrer Winde in die Galaxienscheibe zurückfallen und die Entstehung von neuen Sternen auslösen kann. Dank neuer hochaufgelöster Radiobeobachtungen mit dem „Karl G. Jansky Very Large Array“ fand ein internationales Forscherteam Hinweise für kosmische Strahlung als alternative Ursache für galaktische Winde, und zwar in unserer Nachbargalaxie M33 im Sternbild Dreieck (Triangulum) in einer Entfernung von 2,7 Millionen Lichtjahren von der Erde. Diese Galaxie enthält rund 23-mal weniger Masse als die Milchstraße.

Kosmische Strahlungen bestehen aus hochenergetischen Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie können den Druck im interstellaren Medium erhöhen, Ausströmungen (outflows) verursachen und die Strukturen über eine gesamte Galaxie hinweg verändern. Frühere Studien hatten bereits auf die Bedeutung der von kosmischer Strahlung angetriebenen Winde für die Entstehung von Blasen in der Milchstraße und in der Andromeda-Galaxie hingewiesen, die eine Größe von einigen Tausend Lichtjahren haben.

„Das ist das erste Mal, dass wir Beweise für solche Winde in einer massearmen, sternbildenden Spiralgalaxie wie M33 finden“, sagt Fatemeh Tabatabaei, die leitende Forscherin der vorliegenden Untersuchung. „Dieser Nachweis ergab sich aus einem Widerspruch, als wir feststellten, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung in Regionen energiereicher sind, in denen auch das Magnetfeld stärker ist. In einem starken Magnetfeld erwartet man, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung Energie an eine stärkere Synchrotronstrahlung verlieren.“ Tabatabaei forschte schon im Rahmen ihrer im Jahr 2008 abgeschlossenen Promotion am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) unter der Leitung von Rainer Beck, einem Mitautor der Studie.

Dieses Paradoxon kann aufgelöst werden, wenn man die Struktur des Magnetfeldes in der Galaxie berücksichtigt. In Sternentstehungsgebieten wird das Magnetfeld aufgrund von turbulenten Gasbewegungen durch die Wirkung eines Dynamomechanismus verstärkt, der kinetische Energie in magnetische Energie umwandelt. Die resultierenden Feldlinien sind stark ineinander verknäuelt. „Der Dynamoeffekt ist ein wirkungsvoller Mechanismus, der überall im Universum arbeitet: in Sternen, Planeten, Galaxien und sogar in riesigen intergalaktischen Gaswolken“, sagt Rainer Beck.

„Diese verwirbelte Struktur des Magnetfeldes hilft der kosmischen Strahlung, sich über größere Bereiche zu verteilen, bevor sie ihre Energie durch die Synchrotronkühlung im Magnetfeld verliert. Die hochenergetische kosmische Strahlung kann sich dann leicht mit dem Hintergrundgas und -plasma verbinden und so Gebiete hohen Drucks in der Scheibe erzeugen. Das daraus resultierende Druckungleichgewicht zwischen der Scheibe und den äußeren Schichten im Halo verursacht die Entstehung von Winden“, fügt Fatemeh Tabatabaei hinzu.

Die aktuelle Untersuchung zeigt, dass von der kosmischen Strahlung angetriebene Winde in den meisten Galaxien eine Rolle spielen können, insbesondere in solchen mit relativ geringer Masse, aber aktiver Sternentstehung wie M33. Das sind Systeme, die viel häufiger im Kosmos auftreten als massereiche Galaxien. Daher können die von der kosmischen Strahlung angetriebenen Winde prinzipiell auch in früheren Epochen eine wichtige Rolle beim Abtransport von Gas gespielt haben, da sie aufgrund der höheren Sternentstehungsaktivität damals noch stärker waren.

„Um diese Ergebnisse zu bestätigen und die Untersuchung auf frühere Epochen im Universum auszudehnen, sind detaillierte Radiobeobachtungen von weiter entfernten Galaxien erforderlich, die mit zukünftigen empfindlichen Radioteleskopen wie dem “Next Generation Very Large Telescope” und dem SKA-Observatorium möglich werden“, schließt Karl Menten, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeter-Astronomie, ebenfalls Mitautor der Studie.

Hintergrundinformation:
Das „Karl G. Jansky Very Large Array“ (JVLA) setzt sich als Radioteleskop aus 27 einzelnen Parabolspiegeln zusammen, die in einer Y-förmigen Konfiguration auf der Ebene von San Agustin fünfzig Meilen westlich von Socorro, New Mexico, stehen. Jede Antenne hat einen Durchmesser von 25 Metern. Die Daten der einzelnen Antennen werden elektronisch miteinander kombiniert, um so die Auflösung einer Antenne mit einem Durchmesser von 36 km und die Empfindlichkeit eines Einzelteleskops von 130 Metern Durchmesser zu erreichen. Das VLA wird vom „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) betrieben, einer Einrichtung der „National Science Foundation“ (NSF), die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von „Associated Universities, Inc.“ (AUI) betrieben wird.

Das Forschungsteam umfasst F. S. Tabatabaei, W. Cotton, E. Schinnerer, R. Beck, A. Brunthaler, K. M. Menten, J. Braine, E. Corbelli, C. Kramer, J. E. Beckman, J. H. Knapen, R. Paladino, E. Koch, und A. Camps Fariña. Fatemeh Tabatabaei, die Erstautorin, und ebenso Rainer Beck, Andreas Brunthaler und Karl Menten haben alle eine MPIfR-Affiliation.

Originalveröffentlichung
Cloud-scale Radio Surveys of Star Formation and Feedback in Triangulum Galaxy M33: VLA Observations
F. Tabatabaei et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRASJ-517-2, p. 2997-3007, 25. Oktober 2022 (DOI: 10.1093/mnras/stac2514), https://academic.oup.com/mnras/article/517/2/2990/6764519.

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: ESON.

16. Februar 2022 – Aktive galaktische Kerne (AGN, engl. Active Galactic Nuclei) sind extrem energiereiche Quellen, die von supermassereichen schwarzen Löchern angetrieben werden und sich im Zentrum einiger Galaxien befinden. Diese schwarzen Löcher ernähren sich von großen Mengen an kosmischem Staub und Gas. Vorher bewegt sich dieses Material spiralförmig auf das schwarze Loch zu, wobei riesige Energiemengen freigesetzt werden, die oft alle Sterne in der Galaxie überstrahlen.

Astronomen und Astronominnen sind neugierig auf AGN, seit sie diese hellen Objekte in den 1950er Jahren erstmals entdeckten. Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Violeta Gámez Rosas von der Universität Leiden in den Niederlanden dank des VLTI der ESO einen entscheidenden Schritt getan, um zu verstehen, wie sie funktionieren und wie sie aus der Nähe aussehen. Die Ergebnisse werden heute in Nature veröffentlicht.

Durch außerordentlich detaillierte Beobachtungen des Zentrums der Galaxie Messier 77, auch bekannt als NGC 1068, entdeckten Gámez Rosas und ihr Team einen dicken Ring aus kosmischem Staub und Gas, der ein supermassereiches schwarzes Loch verbirgt. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Beleg für eine 30 Jahre alte Theorie, das so genannte Standardmodell (Unified Model) für AGN.

Astronomen und Astronominnen wissen, dass es verschiedene Erscheinungsformen von AGN gibt. Einige senden beispielsweise Radiowellen aus, andere nicht; bestimmte AGN leuchten hell im sichtbaren Licht, während andere, wie Messier 77, eher gedämpft sind. Das Standardmodell besagt, dass alle AGN trotz ihrer Unterschiede dieselbe Grundstruktur aufweisen: ein supermassereiches schwarzes Loch, das von einem dicken Ring aus Staub umgeben ist.
Diesem Modell zufolge sind die Unterschiede im Erscheinungsbild der AGN auf die Ausrichtung zurückzuführen, mit der wir das schwarze Loch und seinen dicken Ring von der Erde aus betrachten. Die Art des AGN, die wir sehen, hängt davon ab, wie sehr der Ring das schwarze Loch aus unserer Sicht verschleiert und es in einigen Fällen sogar ganz verdeckt.

Astronomen und Astronominnen hatten bereits zuvor einige Beweise für das Standardmodell gefunden, darunter die Entdeckung von warmem Staub im Zentrum von Messier 77. Es blieben jedoch Zweifel, ob dieser Staub ein schwarzes Loch vollständig verbergen und somit erklären könnte, warum dieses AGN im sichtbaren Licht weniger hell leuchtet als andere.

„Die tatsächliche Beschaffenheit der Staubwolken und ihre Rolle bei der Versorgung des schwarzen Lochs und bei der Bestimmung seines Aussehens von der Erde aus waren in den letzten drei Jahrzehnten zentrale Fragen in der AGN-Forschung“, erklärt Gámez Rosas. „Auch wenn kein einziges Ergebnis alle Fragen klären kann, haben wir einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Funktionsweise von AGN gemacht.“

Ermöglicht wurden die Beobachtungen durch das Multi AperTure Mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE) am VLTI der ESO, das sich in der chilenischen Atacama-Wüste befindet. MATISSE kombiniert das von allen vier 8,2-Meter-Teleskopen des Very Large Telescope (VLT) der ESO gesammelte Infrarotlicht mit einer Technik namens Interferometrie. Das Team nutzte MATISSE, um das Zentrum von Messier 77 zu scannen, das 47 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Cetus liegt.

„MATISSE ist in der Lage, ein breites Spektrum an Infrarot-Wellenlängen zu erfassen, wodurch wir durch den Staub hindurchsehen und die Temperaturen genau messen können. Da das VLTI ein sehr großes Interferometer ist, verfügen wir über die nötige Auflösung, um selbst in so weit entfernten Galaxien wie Messier 77 zu sehen, was vor sich geht. Die Bilder, die wir erhalten haben, zeigen detailliert die Temperatur- und Absorptionsveränderungen der Staubwolken um das schwarze Loch“, sagt Mitautor Walter Jaffe, Professor an der Universität Leiden.

Durch die Kombination der durch die intensive Strahlung des schwarzen Lochs verursachten Temperaturveränderungen des Staubs (von etwa Raumtemperatur auf etwa 1200 °C) mit den Absorptionskarten konnte das Team ein detailliertes Bild des Staubs erstellen und genau bestimmen, wo das schwarze Loch liegen muss. Der Staub, der aus einem dicken inneren Ring und einer ausgedehnten Scheibe besteht und in dessen Zentrum sich das schwarze Loch befindet, unterstützt das Standardmodell. Das Team nutzte auch Daten des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), dessen Eigentümer die ESO ist, und des Very Long Baseline Array (VLBA) des National Radio Astronomy Observatory (NRAO), um ihr Bild zu erstellen.

„Unsere Ergebnisse sollten zu einem besseren Verständnis des Innenlebens von AGN führen“, so Gámez Rosas abschließend. „Sie könnten uns auch helfen, die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen, die in ihrem Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch beherbergt, das in der Vergangenheit aktiv gewesen sein könnte.“

Die Forschenden wollen nun das VLTI der ESO nutzen, um weitere Belege für das Standardmodell für AGN zu finden, indem sie eine größere Anzahl von Galaxien untersuchen.

Teammitglied Bruno Lopez, leitender Wissenschaftler von MATISSE am Observatoire de la Côte d’Azur in Nizza, Frankreich, sagt: „Messier 77 ist ein wichtiger Prototyp eines AGN und eine wunderbare Motivation, unser Beobachtungsprogramm zu erweitern und MATISSE zu optimieren, um eine größere Stichprobe von AGN zu untersuchen.“

Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt mit der Beobachtung beginnen soll, wird die Suche ebenfalls unterstützen und Ergebnisse liefern, die die Erkenntnisse des Teams ergänzen und es ihnen ermöglichen, die Wechselwirkung zwischen AGN und Galaxien zu untersuchen.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in dem Artikel „Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068“ (doi: 10.1038/s41586-021-04311-7) vorgestellt, der in Nature erscheint.

Das Team besteht aus Violeta Gámez Rosas (Observatorium Leiden, Universität Leiden, Niederlande [Leiden]), Jacob W. Isbell (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland [MPIA]), Walter Jaffe (Leiden), Romain G. Petrov (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Frankreich [OCA]), James H. Leftley (OCA), Karl-Heinz Hofmann (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland [MPIfR]), Florentin Millour (OCA), Leonard Burtscher (Leiden), Klaus Meisenheimer (MPIA), Anthony Meilland (OCA), Laurens B. F. M. Waters (Abteilung für Astrophysik/IMAPP, Radboud Universität, Niederlande; SRON, Niederländisches Institut für Weltraumforschung, Niederlande), Bruno Lopez (OCA), Stéphane Lagarde (OCA), Gerd Weigelt (MPIfR), Philippe Berio (OCA), Fatme Allouche (OCA), Sylvie Robbe-Dubois (OCA), Pierre Cruzalèbes (OCA), Felix Bettonvil (ASTRON, Dwingeloo, Niederlande [ASTRON]), Thomas Henning (MPIA), Jean-Charles Augereau (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Institut für Planetenwissenschaften und Astrophysik, Frankreich [IPAG]), Pierre Antonelli (OCA), Udo Beckmann (MPIfR), Roy van Boekel (MPIA), Philippe Bendjoya (OCA), William C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), Carsten Dominik (Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Universität Amsterdam, Niederlande [API]), Julien Drevon (OCA), Jack F. Gallimore (Department of Physics and Astronomy, Bucknell University, Lewisburg, Pennsylvania, USA), Uwe Graser (MPIA), Matthias Heininger (MPIfR), Vincent Hocdé (OCA), Michiel Hogerheijde (Leiden; API), Josef Hron (Department of Astrophysics, University of Vienna, Austria), Caterina M.V. Impellizzeri (Leiden), Lucia Klarmann (MPIA), Elena Kokoulina (OCA), Lucas Labadie (1. Physikalisches Institut, Universität Köln, Deutschland), Michael Lehmitz (MPIA), Alexis Matter (OCA), Claudia Paladini (Europäische Südsternwarte, Santiago, Chile [ESO-Chile]), Eric Pantin (Centre d’Etudes de Saclay, Gif-sur-Yvette, Frankreich), Jörg-Uwe Pott (MPIA), Dieter Schertl (MPIfR), Anthony Soulain (Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney, Australien [SIfA]), Philippe Stee (OCA), Konrad Tristram (ESO-Chile), Jozsef Varga (Leiden), Julien Woillez (Europäische Südsternwarte, Garching bei München, Deutschland [ESO]), Sebastian Wolf (Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Universität Kiel, Deutschland), Gideon Yoffe (MPIA), und Gerard Zins (ESO-Chile).

MATISSE wurde in enger Zusammenarbeit mit der ESO von einem Konsortium aus Instituten in Frankreich (J.-L. Lagrange Laboratorium – INSU-CNRS – Côte d’Azur Observatorium – Universität Nizza Sophia-Antipolis), Deutschland (MPIA, MPIfR und Universität Kiel), den Niederlanden (NOVA und Universität Leiden) und Österreich (Universität Wien) entwickelt, finanziert und gebaut. Das Konkoly-Observatorium und die Universität Köln haben ebenfalls Unterstützung bei der Herstellung des Instruments geleistet.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt.

Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Wissenschaftlicher Artikel (pdf):
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2203/eso2203a.pdf

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher
• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

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.

Sternentstehung in Galaxien
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 Sternentstehungsraten solchen Messungen nach bei eher 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.

Wenn Sternentstehung unterdrückt wird
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.

Satellitengalaxien-Gas im Fahrtwind
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.

Von der Nützlichkeit virtueller Universen
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.

Quallen-Galaxien und simulierte Schwarze Löcher
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.

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.

Wenn Schwarze Löcher Gasblasen erzeugen
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?

Ein beobachtbarer Unterschied
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.

Bestätigung im virtuellen Universum
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%.

Wie Schwarze Löcher Sternentstehung fördern können
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.

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.

Weitere Forschung
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?

Ein Blick in die Vergangenheit und ein Weltraumteleskop in der Gegenwart
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 wurde, könnte diese großräumigen Strukturen innerhalb von Galaxiengruppen oder -haufen direkt nachweisen, indem es die Helligkeit des vom Gas emittierten Lichts bei verschiedenen Röntgenwellenlängen misst.

Hintergrundinformationen
Die neuen Ergebnisse sind veröffentlicht als I. Martín-Navarro et al, “ Anisotropic satellite galaxy quenching modulated by supermassive black hole activity“ in der Ausgabe vom 10. Juni 2021 der Zeitschrift Nature.

Die beteiligten MPIA-Forscher*innen sind Ignacio Martín-Navarro (auch Instituto de Astrofísica de Canarias, Instituto de Astrofísica de Canarias, Universidad de La Laguna), Annalisa Pillepich und Martina Donnari, in Zusammenarbeit mit Dylan Nelson (Max-Planck-Institut für Astrophysik und Universität Heidelberg), Vicente Rodriguez-Gomez (Universidad Nacional Autónoma de México), Lars Hernquist (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) und Volker Springel (Max-Planck-Institut für Astrophysik).

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• Sternentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das Neutrino-Ereignis IceCube 170922A, entdeckt mit dem IceCube-Neutrinoobservatorium am Südpol, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit mit der aktiven Galaxie TXS 0506+056 in Verbindung gebracht werden, die in einer Entfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren liegt. TXS 0506+056 ist nur eine von zahlreichen aktiven Galaxien und es war zunächst rätselhaft, warum bis jetzt nur diese Galaxie ein von der Erde aus nachweisbares Neutrino erzeugt hat.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat hochaufgelöste Radiobeobachtungen von TXS 0506+56 aus den Jahren 2009 bis 2018, also bevor und nach dem Neutrino-Ereignis, untersucht. Das Team erklärt die verstärkte Neutrinoaktivität während eines früheren Neutrinoausbruchs und das mit IceCube nachgewiesene Neutrino durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie. Das Aufeinandertreffen von Materie im Wechselwirkungsbereich des Jets in der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs könnte zur Erzeugung der Neutrinos geführt haben.

Die Ergebnisse wurden am 2. Oktober 2019 in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Am 12. Juli 2018 hat die IceCube-Kollaboration die Entdeckung des ersten hochenergetischen Neutrinos, IceCube-170922A, bekanntgegeben, das auf einen Ursprung in großer kosmischer Entfernung zurückgeführt werden konnte. Während der Ursprung in größerer Entfernung im Kosmos für Neutrinos schon lange Zeit vermutet wurde, ist dies das erste Mal, das die Herkunft eines Neutrinos aus einer fernen Galaxie bestätigt werden konnte. Die „Heimat“ des Neutrinos ist ein sogenannter aktiver galaktischer Kern („Active Galactic Nucleus“, AGN), eine Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch als Zentralquelle. Ein internationales Forscherteam konnte nun den Entstehungsprozess für dieses Neutrino aufklären und fand den entsprechenden Vorgang zu einem Teilchenbeschleuniger auf der Erde: ein kosmischer Zusammenstoß von Materie aus Teilchenstrahlen oder Jets.

Aktive galaktische Kerne sind die energiereichsten Objekte in unserem Universum. Angetrieben durch supermassereiche Schwarze Löcher wird Materie auf die Zentralquelle akkretiert und Teilchenstrahlen bzw. Plasmaströme (sogenannte Jets) werden in den intergalaktischen Raum hinausgeschleudert. BL-Lac-Objekte (benannt nach dem Prototyp BL Lacertae im Sternbild Eidechse) bilden eine spezielle Klasse solcher AGN, bei denen der Jet zufällig in Richtung Erde ausgerichtet ist und die beobachtete Strahlung dominiert. Das Neutrino-Ereignis IceCube-170922A hat allem Anschein nach seinen Ursprung in dem BL-Lac-Objekt TXS 0506+056, einer Galaxie mit einer Rotverschiebung von z=0,34. Das entspricht einer Lichtlaufzeitentfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren. Untersuchungen der IceCube Collaboration von Archivdaten hatten zuvor Hinweise auf erhöhte Neutrino-Aktivität aus derselben Galaxie für die Zeit zwischen September 2014 und März 2015 ergeben.

Andere BL-Lac-Objekte zeigen Eigenschaften ganz ähnlich zu denen von TXS 0506+056. „Es war schon etwas rätselhaft, warum gerade diese Galaxie als Quelle für ein Neutrino-Ereignis identifiziert werden konnte“, erklärt Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der Veröffentlichung. „Wir wollten herausfinden, was TXS 0506+056 so speziell macht, um den Entstehungsprozess für Neutrinos zu verstehen und den Ort der Entstehung genauer zu lokalisieren. Dazu haben wir hochaufgelöste Radiobilder des Jets in dieser Quelle untersucht.“

Zu ihrer großen Überraschung fanden die Forscher eine nicht erwartete Wechselwirkung im Jet-Material von TXS 0506+056. Während das Plasma im Jet normalerweise gleichförmig in einer Art Strömungskanal fließt, scheint die Situation in dieser Galaxie anders zu sein. Das Team geht davon aus, dass sowohl die verstärkte Neutrinoaktivität während eines Neutrinoausbruchs in den Jahren 2014 und 2015 sowie das Einzelneutrino IceCube-170922A durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie TXS 0506+056 erklärt werden können.

Diese kosmische Kollision kann zurückgeführt werden auf neu erzeugtes Jetmaterial, das auf einen älteren Jet auftrifft. Die stark gekrümmte Struktur des Jets in den Beobachtungen ist ein Beleg für eine solche Annahme. Eine weitere mögliche Erklärung ist die Kollision zweier Jets in der gleichen Quelle. In beiden Szenarien ist es die Kollision von Jetmaterial, die das Neutrino erzeugt.

Markus Böttcher von der North-West-Universität in Potchefstroom (Südafrika), ist Ko-autor der Veröffentlichung und hat die Modellrechnungen bzgl. Strahlung und Teilchenemission durchgeführt. „Die Kollision von Jetmaterial ist im Moment der einzige verfügbare Mechanismus, der die Entdeckung eines Neutrinos aus dieser Quelle erklären kann. Sie gibt uns auch wichtige Einsichten bzgl. des Jetmaterials und löst die lange bestehende Frage, ob die Jets eher aus leptonischem Material, also Elektronen und Positronen, oder aus hadronischem Material, also Elektronen und Protonen, oder aus einer Kombination von beidem bestehen. Zumindest ein Teil des Materials muss hadronisch sein, sonst hätten wir das Neutrino nicht entdeckt.“

Im Lauf der kosmischen Evolution unseres Universums scheinen Kollisionen von Galaxien recht häufig aufzutreten. Unter der Annahme, dass zwei miteinander kollidierende Galaxien beide ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum aufweisen, erzeugt die Kollision dieser Galaxien ein Paar von Schwarzen Löchern im Zentrum, das sich in immer geringer werdendem Abstand umkreist und schließlich miteinander fusioniert. Bei dieser Verschmelzung werden Gravitationswellen ausgesandt. Dieser Vorgang ist bei supermassereichen Schwarzen Löchern äquivalent zur Fusion wesentlich masseärmerer stellarer Schwarzer Löcher, deren Gravitationswellen mit den LIGO/VIRGO-Detektoren nachgewiesen werden konnten.

Aktive galaktische Kerne mit binären Schwarzen Löchern in einem geringen Abstand von nur wenigen Lichtjahren werden bereits seit langer Zeit gesucht. Sie dürften jedoch sehr selten und auch schwer zu identifizieren sein. Zusätzlich zum Nachweis der Kollision von Jetmaterie haben die Forscher auch Anzeichen für eine Präzession des zentralen Jets in TXS 0506+056 gefunden.

Dazu Michal Zajaček vom Zentrum für Theoretische Physik in Warschau, ein weiterer Ko-autor der Veröffentlichung: „Diese Präzession kann entweder durch ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch erklärt werden oder aber durch den Lense-Thirring-Präzessionseffekt, wie von Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Letzterer könnte wiederum durch ein zweites supermassereiches Schwarzes Loch in etwas größerem Abstand im Zentrum der Galaxie ausgelöst worden sein. Beide Szenarien führen zu einer Änderung in der Ausrichtung des Jets, wie wir sie auch beobachten.“

Christian Fendt vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie ist erstaunt: „Je näher wir an den Ursprung der Jets herankommen, desto komplizierter werden innere Struktur und Dynamik dieser Jets. Die binären Schwarzen Löcher erzeugen eine komplexe Struktur in dem ausgeworfenen Material, welches von den kosmologischen Modellen der Galaxienentstehung bei der Verschmelzung von Galaxien erwartet wird.“

Silke Britzen betont das wissenschaftliche Potential des Forschungsergebnisses: „Es ist phantastisch, dass wir die Erzeugung von Neutrinos durch detaillierte Analyse von Jets in Galaxien untersuchen können. Und es wäre wirklich ein Durchbruch, wenn mit unserer Veröffentlichung ein weiterer Kandidat für ein binäres Schwarzes Loch mit zwei Jets bestätigt werden könnte.“

Es scheint zum ersten Mal gelungen zu sein, die Kollision zweier Jets im Zentrum einer Galaxie auf Skalen von nur wenigen Lichtjahren zu bestätigen und die Entdeckung eines kosmischen Neutrinos auf eine Jetkollision zurückführen zu können.

Während TXS 0506+056 vielleicht nicht repräsentativ für die Klasse von BL-Lac-Objekten ist, könnte diese Quelle aber doch maßgeblich sein für die wiederholte Wechselwirkung des Materials zweier Jets und die dadurch hervorgerufene Erzeugung von Neutrinos.

Hintergrundinformation:
Das IceCube Neutrino-Observatorium wurde zur Erforschung des Kosmos tief im Eis der Antarktis errichtet. Mit Detektoren eines Volumens von einem Kubikkilometer Eis sucht IceCube nach nahezu masselosen Elementarteilchen, die als Neutrinos bezeichnet werden. Diese hochenergetischen Botschafter aus den Tiefen des Universums enthalten Informationen über einige der heftigsten astrophysikalischen Phänomene im Universum wie explodierende Sterne, Gammastrahlungsausbrüche, Schwarze Löcher und Neutronensterne.

MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments) ist ein Langzeitprogramm zur systematischen Erfassung von Äderungen in der Gesamthelligkeit und Polarisation von Jets in Verbindung mit aktiven galaktischen Kernen (AGN) am Nordhimmel. Das Very Long Baseline Array (VLBA) umfasst ein Netzwerk von zehn Radioteleskopen, die von Socorro/New Mexico aus gesteuert werden und in einem interferometrischen Modus (Very Long Baseline Interferometrie, VLBI) miteinander verbunden sind.

BL-Lac-Objekte stellen eine besondere Unterklasse von aktiven galaktischen Kernen (AGN) dar. Als AGN wird ein kompakter Bereich im Zentrum bestimmter Galaxien bezeichnet, der eine wesentlich erhöhte Leuchtkraft in einem maßgeblichen Teil des elektromagnetischen Spektrums aufweist. Diese Leuchtkraft ist nichtthermischen Ursprungs und wird durch die Akkretion von Materie in der unmittelbaren Umgebung des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs erzeugt. Der Jet eines BL-Lac-Objekts ist geometrisch direkt auf den Beobachter gerichtet und zeigt demzufolge ein einzigartiges Radioemissionsspektrum.

Die Autoren der Originalveröffentlichung in “Astronomy & Astrophysics” sind Silke Britzen, Christian Fendt, Markus Böttcher, Michal Zajaček, Frederic Jaron, Ilya Pashchenko, Anabella Araudo, Vladimir Karas, und Omar Kurtanidze. Silke Britzen, die Erstautorin, und ebenso Michal Zajaček und Frederic Jaron haben eine MPIfR-Affiliation.

Neben dem MPIfR umfassen die Affiliationen der Ko-autoren das Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg), das Centre for Space Research (North-West University, Potchefstroom, Südafrika), das I. Physikalisches Institut der Universität Köln, das Zentrum für Theoretische Physik der polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau, das Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn, das Astro Space Center des Physikalischen Instituts Lebedev in Russland, das Astronomische Institut und das Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag sowie das Abastumani-Observatorium in Georgien.

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