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PUBLIC RELEASE DATE: 10 - Februar - 2005

Kollidierende Galaxien wecken schlafende Schwarze Löcher

Deutsch-amerikanisches Astrophysikerteam klärt erstmals, welcher Zusammenhang zwischen Quasaren, Schwarzen Löchern und der Entwicklung von Galaxien besteht



Abb.: Phasen der Verschmelzung zweier Galaxien mit zentralen Schwarzen Lchern. Von oben nach unten zeigen die Bilder der Sequenz das Gas zweier kollidierender Spiralgalaxien. Nach der ersten Begegnung entfernen sich diese zunchst wieder, um dann bei einer zweiten Begegnung und anschlieenden Verschmelzung zusammenzufallen. Die Schwerkraft treibt dabei Gas ins Zentrum der Galaxienkerne und fhrt zur Bildung ausgedehnter Gezeitenarme. In der Quasar-Phase gewinnen die Schwarzen Lcher stark an Masse. Diese Phase dauert bis zu 100 Millionen Jahre und setzt gengend Energie frei, um das Gas aufzuheizen und in den Raum zu schleudern. Zurck bleibt eine elliptische Galaxie (deren Sterne nicht gezeigt sind), die kaum noch Gas enthlt und in deren Zentrum die beiden Schwarzen Lcher verschmolzen sind. Der gesamte Prozess der Galaxienverschmelzung dauert etwa 2 Milliarden Jahre und kann in einem Film im Internet betrachtet werden (http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/press).
Bild: Max-Planck-Institut fr Astrophysik

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In der Frhphase des Universums besaen viele Galaxien extrem leuchtkrftige Kerne, so genannte Quasare. Seit lngerem hatte man bereits vermutet, dass die Leuchtkraft der Quasare durch superschwere Schwarze Lcher im Zentrum der Galaxien erzeugt wird. Zudem steht die Masse dieser Schwarzen Lcher in enger Beziehung zur Geschwindigkeitsverteilung der Sterne in der kugelfrmigen Zentralregion der jeweiligen Wirtsgalaxie. Auch das legt einen gemeinsamen Entstehungsprozess nahe. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts fr Astrophysik und der Harvard Universitt, USA, ist es nun gelungen, sowohl die Sternentstehung als auch das Wachstum von Schwarzen Lchern in Computersimulationen miteinander kollidierender Galaxien direkt zu verfolgen. Sie zeigen, dass die Quasaraktivitt so viel Energie freisetzt, dass groe Mengen Gas aus dem Galaxienzentrum herausgeschleudert werden, was sowohl die Sternentstehung als auch das weitere Wachstum der Schwarzen Lcher begrenzt. Damit konnten die Forscher klren, wodurch die Lebensdauer von Quasaren begrenzt wird und welch enger Zusammenhang zwischen der Masse eines Schwarzen Lochs und der Geschwindigkeit der Sterne im Zentrum einer Galaxie besteht (Nature, 10. Februar 2005).

In den heutigen Vorstellungen ber die Entstehung von galaktischen Sternsystemen spielen Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien eine entscheidende Rolle. Dadurch sind im Laufe der Zeit immer grere Galaxien mit vernderter Gestalt entstanden - aus verschmelzenden Spiralgalaxien entwickelten sich elliptische Galaxien. Doch die jngste Entdeckung superschwerer Schwarzer Lcher im Zentrum von Galaxien gibt den Forschern neue Rtsel auf. So ist nicht klar, wieso die Masse Schwarzer Lcher mit der Gre der kugelfrmigen Zentralregion einer Galaxie korreliert ist. Sind Schwarze Lcher also nur eine interessante Randerscheinung bei der Entstehung von Galaxien oder bestimmen sie diesen Prozess gar in ganz entscheidender Weise?

Antworten auf diese Fragen knnen komplexe Computersimulationen liefern, die sowohl die gravitative Dynamik einzelner Galaxien als auch wesentliche Aspekte der Physik der Sternentstehung und des Wachstums von Schwarzen Lchern bercksichtigen. Tiziana Di Matteo und Volker Springel vom Max-Planck-Institut fr Astrophysik und Lars Hernquist von der Harvard Universitt haben dazu neue Wege der numerischen Modellierung beschritten: Sie reprsentieren das superschwere Schwarze Loch erstmals mit einem Simulationsteilchen, das aus seiner Umgebung Gas aufsaugen kann, und zwar mit einer Rate, die aus einer einfachen theoretischen Modellbildung abgeleitet ist. Auf diese Weise ist es mglich, ganze Galaxien gleichzeitig mit den darin enthaltenen und wachsenden Schwarzen Lchern zu simulieren.

Aufgrund von Reibung in den Strmungen um Schwarze Lcher herum wird das einfallende Gas auf enorme Temperaturen aufgeheizt und gibt dadurch energiereiche Strahlung ab. Tatschlich werden etwa 10 Prozent der gesamten Ruheenergie (E = mc2) des Gases freigesetzt, bevor es selbst im Ereignishorizont des Schwarzen Lochs verschwindet. Hierbei handelt es sich um riesige Energiemengen, die supermassive Schwarze Lcher zu wahren Monstern machen, den strksten bekannten Energiequellen im Universum berhaupt. Whrend ein Groteil der energiereichen Strahlung aus dem Zentrum der Galaxie entkommt, heizt ein kleinerer Teil das Gas in der greren Umgebung des Schwarzen Lochs auf. Das Team um Dr. Di Matteo nimmt an, dass etwa 5 Prozent der Strahlung zu dieser Heizung beitragen.

Die Simulationen haben nun gezeigt, dass diese Energie das Verschmelzen von Spiralgalaxien wesentlich beeinflusst. Kollidieren die Galaxien, so treiben gravitative Gezeitenkrfte diffus verteiltes Gas in ihr Zentrum . Dort wird es solange verdichtet, bis es zu einem intensiven Ausbruch der Sternbildung kommt, einem Starburst. Dabei "fttert" das einstrmende Gas auch das im Zentrum sitzende superschwere Schwarze Loch, das dadurch rasch an Masse gewinnt. Die dabei wiederum freigesetzte Energie heizt das umgebende Gas stark auf. Die Abbildung zeigt Verteilung und Temperatur des Gases in verschiedenen Phasen der Verschmelzung zweier Galaxien mit Milchstraengre. Je schwerer das Schwarze Loch, desto schneller wchst es, sodass auch die Rate, mit der Energie freigesetzt wird, rasch ansteigt. Das Zentrum der Galaxie leuchtet dabei als Quasar. Doch schlielich wird der Druck in dem aufgeheizten Gas zu gro - ein mchtiger Wind entsteht, der das noch in der Galaxie vorhandene Gas aus ihrem Zentrum schleudert und damit die Quasar-Phase und die Sternentstehung abrupt beendet.

Tiziana Di Matteo, Volker Springel und Lars Hernquist haben eine ganze Serie von Kollisionen von unterschiedlich groen Galaxien untersucht. Sie zeigen, dass in greren Galaxien immer mehr Gas fr die "Ftterung" eines Schwarzen Lochs zur Verfgung steht und das Gravitationspotenzial, in dem das Gas gebunden ist, tiefer wird, sodass die Schwarzen Lcher zu immer greren Massen anwachsen mssen, bevor ihre freigesetzte Energie ausreicht, um die Quasaraktivitt durch Herausschleudern des Gases zu stoppen. Das Wachstum erweist sich somit als ein sich selbst begrenzender Prozess, der zudem mit der gleichzeitigen Entstehung der kugelfrmigen Sternpopulation im Zentrum der Galaxie verknpft ist: Zwischen der Gre dieser Sternpopulation und der Masse des Schwarzen Lochs in dem Verschmelzungsprodukt besteht also ein direkter Zusammenhang. Ein Vergleich mit astronomischen Messdaten zeigt, dass diese ersten selbstkonsistenten Simulationen fr das Wachstum von Schwarzen Lchern die wichtigsten Beobachtungsdaten bereits mit bemerkenswerter bereinstimmung reproduzieren.

Diese Ergebnisse sind fr das Standardmodell der hierarchischen Galaxienentstehung sehr weitreichend: Die Aktivitt eines Schwarzen Lochs hat also groe Auswirkungen auf seine Wirtsgalaxie, da es die Entstehung von Sternen whrend der Galaxienverschmelzung beeinflusst und durch das Aufheizen des Gases einer spteren Sternentstehung entgegenwirkt. So sind die entstehenden elliptischen Galaxien verhltnismig arm an Gas und bilden kaum noch Sterne; ihre Sternpopulationen altern daher schnell und entwickeln jene roten Spektralfarben, wie man sie in vielen massereichen elliptischen Galaxien heute beobachten kann. Ohne den Einfluss der Schwarzen Lcher konnte man die Farben dieser "toten" elliptischen Galaxien bisher nicht befriedigend erklren.

Galaxienentstehung und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Lcher erscheinen also als ein eng verzahnter Vorgang, der in theoretischen Modellen knftig als eine Einheit behandelt werden muss. Hydrodynamische Computersimulationen sind eines der vielversprechendsten Mittel, um weitere Einsichten in diese Verknpfung zu gewinnen.

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Verwandte Links:

[1] Abbildung und Film (ca. 22 MB) zur Pressemitteilung (MPI Astrophysik Website)

[2] Komprimierte Version des Films (mpeg1 / ca. 12 MB)

Originalverffentlichung:

Tiziana Di Matteo, Volker Springel, Lars Hernquist
Energy input from quasars regulates the growth and activity of black holes and their host galaxies
Nature, 10 February 2005