Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Astrophysiker haben die größten Plasmastrahlen eines schwarzen Lochs entdeckt, die jemals im Weltraum gesehen wurden. Schwarze Löcher sind dafür bekannt, dass sie Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung verschlucken. Sie können aber auch große Mengen an Energie ausspucken, in Form von Strahlung oder Plasmastrahlen, den sogenannten „Jets“. Das internationale Forschungsteam mit Beteiligung von Dr. Gabriela Calistro Rivera vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat nun ein Jetpaar mit einer Gesamtlänge von 23 Millionen Lichtjahren entdeckt. Das entspricht der Größe von 140 Milchstraßen-Galaxien in einer Reihe. Die Plasmastrahlen schießen oberhalb und unterhalb eines supermassiven Schwarzen Lochs heraus, mit einer Leistung von mehreren Billionen Sonnen. Die Forschungsarbeit wurde am 18. September 2024 in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht, unter der Leitung des California Institute of Technology (Caltech).

Die Jets mit dem Spitznamen „Porphyrion“ – benannt nach einem Riesen aus der griechischen Mythologie – entspringen einem Schwarzen Loch, das sich im Herzen einer weit entfernten Galaxie befindet. Zwar war es bekannt, dass Jets über die Grenzen ihrer Galaxie herausragen können. Überraschend war für die Fachwelt nun jedoch, dass Porphyrion bis in die Leerräume des Universums reicht. Zur Einordnung: Sterne sind in Galaxien zusammengefasst, Galaxien wiederum in Galaxiengruppen und Galaxienhaufen, zwischen denen sich große Leerräume befinden. Die Galaxien sind dabei wie durch ein kosmisches Spinnennetz verbunden.

Einfluss auf die Entstehung von Galaxien
„Energiereiche Strahlung und Jets von Schwarzen Löchern können das Wachstum und die Entwicklung ihrer Galaxien drastisch beeinflussen. Porphyrion zeigt, dass diese Auswirkungen ungeahnte Ausmaße annehmen und die Struktur unseres Universums beeinflussen können“, sagt Calistro Rivera.

Die neueste Entdeckung deutet darauf hin, dass die riesigen Jets im jungen Universum einen größeren Einfluss auf die Entstehung von Galaxien gehabt haben könnten als bisher angenommen. Die beiden Jets sind 7,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und stammen damit aus einer Zeit als das Universum halb so alt war wie heute. Porphyrion existierte damit bereits in einer frühen Epoche, als das Universum noch weniger ausgedehnt war und die dünnen Fäden des kosmischen Netzes enger zusammen lagen. Die Megaströme erstreckten sich damit über entsprechend größere Teile des Universums mit ihrem Einfluss.

Entdeckt wurde das Jetpaar mit Hilfe des LOFAR (LOw Frequency ARray) Radioteleskops in Europa. Das Team nutzte auch das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) in Indien, zusammen mit zusätzlichen Daten aus dem Projekt DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) sowie das W. M. Keck Observatory in Hawai’i. Dies half den Forschenden, die richtige Wirtsgalaxie des supermassiven Schwarzen Lochs zu bestimmen, das die Jets erzeugte. Außerdem kombinierte DLR-Wissenschaftlerin Calistro Rivera diese Beobachtungsdaten und erstellte ein Modell, das die physikalischen Eigenschaften von Galaxien und Schwarzen Löchern bestimmen kann. Dank des physikalischen Modells erfuhren sie auch wie alt, wie hell und wie massiv die Galaxie ist, also wie viele Sterne sie vereint. Für das Schwarze Loch zeigte sich, dass es supermassiv und sehr aktiv ist.

Neue Erkenntnisse zu Schwarzen Löchern
Wenn supermassereiche Schwarze Löcher aktiv werden, zerrt und heizt ihre immense Schwerkraft an der umgebenden Materie. Dabei werden große Mengen an Energie freigesetzt, entweder in Form von Jets (Radiomodus) oder Strahlung im sichtbaren oder ultravioletten Bereich (Strahlungsmodus). Schwarze Löcher im Strahlungsmodus waren im jungen oder fernen Universum häufiger anzutreffen, während Schwarze Löcher mit Jets im heutigen Universum häufiger vorkommen.

„Indem wir die Beobachtungsdaten aus den verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrum mit theoretischen Modellen verglichen haben, konnten wir mehr über die Physik in dem Schwarzen Loch und seiner Galaxie erfahren. Hier konnten wir lernen, dass die riesigen Jets in Porphyrion aus einem aktiven Schwarzen Loch im Strahlungsmodus stammen“, erklärt Calistro Rivera. Die Tatsache, dass Porphyrion von einem Schwarzen Loch im Strahlungsmodus stammt, ist eine Überraschung. Denn bisher war nicht bekannt, dass dieser Modus so große und starke Jets erzeugen kann.

Da Porphyrion in einem fernen Universum liegt, in dem Schwarze Löcher im Strahlungsmodus zahlreich vorhanden sind, deutet die Entdeckung außerdem darauf hin, dass es noch viele weitere gigantische Jets geben könnte. „Wir sehen vielleicht nur die Spitze des Eisbergs“, sagt Hauptautor der Nature-Studie Dr. Martijn Oei vom Caltech. „Unsere LOFAR-Untersuchung deckte nur 15 Prozent des Himmels ab. Und die meisten dieser gigantischen Jets sind wahrscheinlich schwer zu entdecken, daher glauben wir, dass es noch viel mehr dieser Giganten da draußen gibt.“

In einem nächsten Schritt möchte das Team besser verstehen, wie diese Megastrukturen ihre Umgebung beeinflussen, wenn sie kosmische Strahlung, Hitze, schwere Atome und Magnetfelder im Raum zwischen den Galaxien verbreiten.

Über die Studie
Die Nature-Studie „Black hole jets on the scale of the cosmic web” wurde vom Dutch Research Council, dem European Research Council, dem UK Science and Technology Facilities Council, dem UK Research and Innovation Future Leaders Fellowship und der Europäischen Union finanziert. Hauptautor ist Martijn Oei von der Universität Leiden und dem California Institute of Technology (Caltech), weitere Autoren sind Martin Hardcastle von der University of Hertfordshire, Roland Timmerman von der Durham University; Aivin R.D.J.G.I.B. Gast von der Universität Oxford; Andrea Botteon und Francesco de Gasperin vom Institut für Radioastronomie des Nationalen Instituts für Astrophysik in Italien; Antonio Rodriguez und S. G. Djorgovski vom Caltech; Daniel Stern vom Jet Propulsion Laboratory, das vom Caltech für die NASA geleitet wird; Gabriela Calistro Rivera vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie Reinout J. van Weeren, Huub J.A. Röttgering und Huib T. Intema von der Universität Leiden.

Publikation
Black hole jets on the scale of the cosmic web
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07879-y

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Unser Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, und mit der Zeit sind aus kleinsten Ungleichheiten am Anfang die großen Strukturen gewachsen, die Teleskope am Nachthimmel sehen können: Galaxien wie unsere Milchstraße, Galaxienhaufen und noch größere Ansammlungen von Materie oder dünne Strukturen aus Gas und Staub. Wie schnell dieses Wachstum vonstattengeht, hängt zumindest im heutigen Universum von einer Art Ringkampf der Naturkräfte ab: Was hat die Dunkle Materie, die durch ihre Gravitation alles zusammenhält und noch mehr Materie anzieht, der Dunklen Energie, die das Universum auseinandertreibt, entgegenzuhalten? „Diesen Ringkampf können wir beobachten, wenn wir die Strukturen am Himmel genau vermessen können“, sagt LMU-Astrophysiker Daniel Grün. Dazu dienen teleskopische Beobachtungsprojekte, die große Teile des Himmels sehr genau in Bilder fassen: zum Beispiel der Dark Energy Survey mit dem Blanco-Teleskop in Chile und der kürzlich in Betrieb genommene Euclid-Satellit. An beiden Projekten sind LMU-Wissenschaftler und -Wissenschaftlerinnen, teilweise in leitender Funktion, seit Jahren beteiligt.

Bisher größter Datensatz ausgewertet
Die Entfernungen der einzelnen Strukturen und Galaxien von uns exakt zu bestimmen, ist dabei nicht immer einfach, aber besonders wichtig. Denn je größer der Abstand, desto länger war das Licht einer Galaxie zu uns unterwegs und desto älter ist also die Momentaufnahme des Universums, die wir uns aus ihrer Beobachtung machen können. Eine wichtige Quelle dafür ist etwa die beobachtete Farbe einer Galaxie, die von erdgebundenen Teleskopen wie dem Blanco-Teleskop oder Satelliten wie Euclid gemessen wird. Eine neue Arbeit eines Teams um Jamie McCullough und Daniel Grün im Fachmagazin MNRAS liefert nun mit dem bisher größten Datensatz Aufschluss darüber, was die Farbe verschiedener Galaxien tatsächlich über ihren wahren Abstand aussagt.

Prinzipiell lässt sich der Abstand einer Galaxie mithilfe von Spektroskopie genau bestimmen. Dabei vermisst man die Spektrallinien von entfernten Galaxien. Diese scheinen, da das Universum sich insgesamt ausdehnt, eine umso größere Wellenlänge zu haben, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist. Denn das Licht ferner Galaxien erfährt auf dem langen Weg zu unserer Galaxie ebenfalls eine Ausdehnung der Wellenlänge. Dieser Effekt, Rotverschiebung genannt, verändert auch die scheinbaren Farben, die die Instrumente im Bild der Galaxie messen. Sie wirken röter, als sie sind. Das ist ähnlich dem Dopplereffekt beim Martinshorn eines sich entfernenden Krankenwagens, bei dem sich auch die scheinbare Tonhöhe beim Vorbeifahren ändert.

Keine zwei Galaxien sind gleich
Jamie McCullough, Doktorandin an der LMU und an der Universität Stanford, verwendete für ihre Analyse spektroskopische Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) und verknüpfte sie mit dem bisher größten Datensatz zur genauen Messung von Galaxien-Farben (KiDS-VIKING). Konkret kombinierten die Autoren spektroskopische Daten von DESI aus insgesamt 230.000 Galaxien mit den Farben dieser Galaxien in der KiDS-VIKING-Durchmusterung und bestimmten daraus jeweils die Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie von uns und ihrer beobachteten Farbe und Helligkeit. Keine zwei Galaxien im Universum sind gleich, aber für jede Klasse ähnlicher Galaxien gibt es eine spezielle Beziehung zwischen beobachteter Farbe und Rotverschiebung. „Wenn wir Entfernungsinformationen mit Messungen der Form von Galaxien kombinieren können, können wir aus den Lichtverzerrungen großräumige Strukturen herauslesen“, sagt Jamie McCullough. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es, aus den Aufnahmen von Euclid oder dem Dark Energy Survey für jede in Bildern beobachtete Galaxie den wahren Abstand statistisch zu bestimmen.

DESI-Kartierung: Interaktiver Flug durch Millionen von Galaxien
So besteht dann die Möglichkeit, aus den beobachteten Verzerrungen der Galaxienbilder selbst etwas über das Verhalten kosmischer Strukturen heute und vor Milliarden von Jahren zu lernen und diese besser zu verstehen. Dies gibt einen Einblick in die Entwicklungsgeschichte des Universums. Um den Verlauf der Strukturbildung mit der Zeit beobachten zu können, muss man nicht Milliarden Jahre warten, sondern nur die Struktur in verschiedenen Abständen von der Erde vermessen. Mit Bildern alleine ist das aber fast unmöglich, denn der Abstand einer Galaxie von uns ist nicht ohne Weiteres aus ihrer Erscheinung in einem Bild abzulesen. Die Studie von Jamie McCullough enthält den Schlüssel hierzu: Sie liefert ein Modell dafür, was die scheinbare „Farbe“ einer Galaxie uns über ihren Abstand von uns aussagt.

Beobachten, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie miteinander ringen
Das große Ziel ist es, aus dieser genauen Verteilung und Beobachtung unterschiedlich weit entfernter Galaxien etwas über den Ringkampf der Naturkräfte abzuleiten, also dem Ringen von Dunkler Materie und Dunkler Energie. „Um wirklich zu sehen, was passiert, muss man die einzelnen Runden dieses Ringkampfes betrachten können“, sagt Grün. Denn die Dunkle Energie ist aktuell im Begriff aufzuholen und die Bildung größerer Massenansammlungen im Universum womöglich ganz aufzuhalten. „So erst verstehen wir, was die Dunkle Materie und die Dunkle Energie denn eigentlich sind und wer von ihnen den kosmischen Ringkampf am Ende gewinnen wird.“

Originalpublikation:
J McCullough, D Gruen, A Amon, A Roodman, D Masters, A Raichoor, D Schlegel, R Canning, F J Castander, J DeRose, R Miquel, J Myles, J A Newman, A Slosar, J Speagle, M J Wilson, J Aguilar, S Ahlen, S Bailey, D Brooks, T Claybaugh, S Cole, K Dawson, A de la Macorra, P Doel, J E Forero-Romero, S Gontcho A Gontcho, J Guy, R Kehoe, A Kremin, M Landriau, L Le Guillou, M Levi, M Manera, P Martini, A Meisner, J Moustakas, J Nie, W J Percival, C Poppett, F Prada, M Rezaie, G Rossi, E Sanchez, H Seo, G Tarlé, B A Weaver, Z Zhou, H Zou, DESI Collaboration, DESI complete calibration of the colour–redshift relation (DC3R2): results from early DESI data, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 531, Issue 2, June 2024, Pages 2582–2602, doi.org/10.1093/mnras/stae1316
https://academic.oup.com/mnras/article/531/2/2582/7686823?login=false
pdf: https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/531/2/2582/58061300/stae1316.pdf

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