Galaxienzusammenstöße nicht der wichtigste Fütterungsmechanismus für riesige Schwarze Löcher

5. Januar 2011

Eine neue Studie hat unerwartetes Licht auf die Essgewohnheiten der gigantischen Schwarzen Löcher geworfen, die für einige der hellsten Leuchterscheinungen im Universum verantwortlich sind: aktive Galaxienkerne. Bislang waren viele Astronomen davon ausgegangen, dass miteinander verschmelzende Galaxien der wichtigste Mechanismus dafür waren, diesen Schwarzen Löchern Materie zuzuführen. Die jetzt veröffentlichte Studie an 1400 Galaxien – eine der größten für diesen Zweck bislang untersuchten Stichproben – gibt klare Anhaltspunkte dafür, dass die Schwarzen Löcher ihre Nahrung zumindest während der letzten 8 Milliarden Jahre auf weniger gewaltsame Weise vorgesetzt bekommen haben. Der zugehörige Fachartikel ist online zugänglich und erscheint am 10. Januar 2011 im Astrophysical Journal.

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Abbildung 1: Wenn Verschmelzungen großer Galaxien dafür sorgen, dass die zentralen
Schwarzen Löscher solcher Galaxien mit Materie gefüttert und dann zu leuchten beginnen, sollte man bei aktiven Galaxien (ein Beispiel links) häufiger Verzerrungen - also die Spuren solcher Verschmelzungen - finden als bei inaktiven Galaxien (ein Beispiel rechts).

Die enorme Energie, die aktive Galaxienkerne (active galactic nuclei, AGN) freisetzen, geht auf Materie zurück, die in das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie fällt. Allerdings ist bislang ungeklärt, wie diese Materie über die letzten wenigen Lichtjahre in die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs transportiert wird.

Eine in den späten 1980er Jahren erschienene Studie von David Sanders und Kollegen schien einen geeigneten Mechanismus für den Materietransport zu präsentieren: Verschmilzt eine Galaxie mit einer ähnlich großen anderen Galaxie (»major merger«), würde das Galaxiengas dramatisch gestört, und einiges davon würde in Richtung des zentralen Schwarzen Loches der Galaxie fallen.

Ein plausibles Szenario. Doch nur eine systematische Studie würde zeigen können, ob sich die riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien tatsächlich auf diese Weise füttern lassen. Dieses Ziel steckten sich 2008 Mauricio Cisternas und Knud Jahnke vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA). Cisternas erklärt: »Eine so umfassende Studie ist erst kürzlich möglich geworden. Nur die neuesten Durchmusterungen des Weltraumteleskops HUBBLE, liefern die dafür nötigen Daten. Vorher gab es schlicht keine Möglichkeit, eine genügend große Anzahl von weit entfernten aktiven Galaxien  hinreichend detailliert zu untersuchen.«

Cisternas und seine Kollegen nutzen die Daten von 140 aktiven Galaxienkernen (AGN), die zuvor im Rahmen der COSMOS-Durchmusterung mit Röntgenbeobachtungen des Weltraumteleskops XMM-Newton als aktiv identifiziert worden waren. Das Licht der entferntesten dieser AGN war rund 8 Milliarden Jahre unterwegs (Rotverschiebung z=1), bevor es uns erreichte: Wir sehen diese AGN, wie sie vor 8 Milliarden Jahren waren; damit umfasst die Stichprobe Daten zum Wachstum Schwarzer Löcher während der gesamten zweiten Hälfte der Geschichte unseres Universums.

An dieser Studie ist besonders, dass die Astronomen dann systematisch eine »Kontrollgruppe« von normalen Galaxien zusammenstellten - Galaxien ohne ein zentrales Schwarzes Loch, das große Mengen an Materie verschluckt. Für jeden der AGN in der Studie wurden aus dem gleichen Satz von HUBBLE-Bildern neun nichtaktive Galaxien in ungefähr der gleichen Entfernung und mit der gleichen Masse ausgewählt, die damit in die gleiche Ära kosmischer Entwicklung gehören. Insgesamt kamen die Forscher so auf eine Stichprobe von 1400 Galaxien. Diese Auswahl erlaubte es, aktive Galaxien und eine dazugehörige Population nicht-aktiver Galaxien direkt miteinander zu vergleichen.

Dass eine Galaxie in den letzten hunderten Millionen Jahren an einem »major merger«, einer großen Verschmelzung teilgenommen hat, zeigt sich daran, dass die Form der Galaxie in charakteristischer Weise verzerrt ist. Für Bilder dieser Art, die weit entfernte Galaxien zeigen, ist die automatische Auswertung durch Computerprogramme nur zweite Wahl. Als deutlich effektiver erweist es sich, die Bilder durch Astronomen direkt begutachten zu lassen. Koautor Knud Jahnke (MPIA) erklärt: »Allerdings hatten wir dabei das Problem, wie wir mit den Erwartungen und mit möglichen Vorurteilen unserer Gutachter umgehen sollten. Alle Beteiligten kannten Galaxienverschmelzungen als plausiblen Mechanismus für die AGN-Aktivität – würden sie die AGN daher unbewusst häufiger verzerrt einstufen?«

Um solche unbewussten Fehleinschätzungen auszuschließen, beschlossen die Forscher, ihr Projekt als Blindstudie auszuführen – ein Standardverfahren etwa in der medizinischen Forschung, aber in der Astronomie recht ungewöhnlich. Cisternas entfernte diejenigen Bildbestandteile, die auf die Aktivität einer Galaxie hinweisen, so dass die Gutachter keine Möglichkeit haben würden, anhand des Bildes zu erkennen, ob sie es mit einer aktiven oder inaktiven Galaxie zu tun hätten. Die beiden Stichproben wurden anschließend gemischt und die Bilder zehn Galaxienexperten aus acht verschiedenen Instituten vorgelegt, die die Aufgabe bekamen, jede Galaxie als »verzerrt« oder »nicht verzerrt« einzuschätzen. Im Einzelnen waren die Einschätzungen der Experten dabei durchaus unterschiedlich – ein Zeichen dafür, dass die Astronomen unterschiedlich strenge Kriterien anlegten. Doch bei dem entscheidenden Aspekt kamen alle zu dem gleichen Ergebnis: Keine der Klassifikationen zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen aktiven und inaktiven Galaxien. Es gab keinen signifikanten Zusammenhang zwischen der Aktivität einer Galaxie und ihrer Verzerrung, und damit offenbar keinen Zusammenhang zwischen der Wohlgenährtheit des Schwarzen Lochs einer Galaxie und der Teilnahme der Galaxie an großen Verschmelzungsereignissen.

Galaxienverschmelzungen sind in der kosmischen Geschichte durchaus häufig, und es kann davon ausgegangen werden, dass sie zumindest zur Aktivität einiger AGN beitragen. Die Studie zeigt aber, dass sie weder ein universeller noch der wichtigste Mechanismus zur Fütterung Schwarzer Löcher sind. Der statistischen Auswertung zufolge gibt es für mindestens 75%, und vielleicht sogar für die gesamte AGN-Aktivität der letzten 8 Milliarden Jahre andere Erklärungen. Zu den Möglichkeiten, Materie zu zentralen Schwarzen Löchern zu transportieren, gehören instabile Gebilde wie die »Balken« einiger Spiralgalaxien sowie Zusammenstöße gigantischer Molekülwolken innerhalb einer Galaxie, oder der nahe Vorbeiflug einer anderen Galaxie, bei dem es aber nicht zu einer Verschmelzung kommt (»galaktische Belästigung«).

Könnte es in noch fernerer Vergangenheit – bei noch weiter entfernten aktiven Galaxien – einen Zusammenhang zwischen Verschmelzungen und Aktivität der galaktischen Kerne geben? Dieser Frage will sich das Forscherteam als nächstes zuwenden. Die richtigen Daten dafür versprechen zwei derzeit laufende Beobachtungsprogramme  (»Multi-Cycle Treasury Programs«) des Weltraumteleskops HUBBLE, sowie Beobachtungen seines Nachfolgers, des James Webb-Weltraumteleskops, das frühestens 2014 seine Arbeit aufnehmen wird.

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Hintergrundinformationen

Die hier beschriebene Studie wird am 10. Januar 2010 als Cisternas et al., »The bulk of black hole growth since z~1 occurs in a secular universe: no major merger-AGN connection« im Astrophysical Journal (Band 726, Seiten 57 ff.) veröffentlicht werden.

Die Mitglieder des Forscherteams sind Mauricio Cisternas, Knud Jahnke, Katherine J. Inskip (alle Max-Planck-Institut für Astronomie), Jeyhan Kartaltepe (NOAO), Anton M. Koekemoer (STScI), Thorsten Lisker (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg), Aday R. Robaina (MPIA und Universität von Barcelona), Marco Scodeggio (IASF-INAF), Kartik Sheth (California Institute of Technology), Jonathan R. Trump (University of Arizona), Rene Andrae (MPIA), Takamitsu Miyaji (UNAM, Mexiko, und University of California at San Diego), Elisabeta Lusso (INAF – Astronomisches Observatorium Bologna), Marcella Brusa (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, MPE), Peter Capak (Caltech), Nico Cappelluti (MPE), Francesca Civano (Harvard Smithsonian Center for Astrophysics), Olivier Ilbert (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille), Chris D. Impey (University of Arizona), Alexie Leauthaud (LBNL und University of California), Simon J. Lilly (ETH Zürich), Mara Salvato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik), Nick Z. Scoville (Caltech) und Yoshi Taniguchi (Ehime-Universität, Japan).

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Fragen und Antworten

Warum ist die Fütterung galaktischer Schwarzer Löcher ein Problem?
Die Vorstellung von Schwarzen Löchern als einer Art kosmischer Staubsauger, die jegliche Materie in ihrer Umgebung aufsaugen, ist weit verbreitet, aber komplett falsch. Während Materie, die direkt auf das Schwarze Loch zufliegt, unweigerlich hineinfallen wird, reicht schon etwas an Querbewegung (Fachbegriff: Drehimpuls relativ zu dem Schwarzen Loch) aus, um die Materie stattdessen auf eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch zu schicken. Dies ist exakt analog zu den Verhältnissen in unserem Sonnensystem: Die Anziehungskraft der Sonne zieht die Planeten in Richtung Sonne; die Kombination dieser Anziehungskraft mit Seitwärtsbewegung ergibt die elliptischen Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne.

Astronomen kennen eine Reihe von Möglichkeiten, dieses Problem – Seitwärtsbewegung bzw. Drehimpuls – zu lösen und Materie trotzdem in ein Schwarzes Loch zu schicken. Auf vergleichsweise kleinen Größenskalen von einigen Lichttagen ist es Reibung in der so genannten Akkretionsscheibe, einer wirbelnden Materiescheibe um das Schwarze Loch, die Materie in den gefräßigen Rachen galaktischer Schwarzer Löcher transportiert. Auf sehr großen Skalen von tausenden von Lichtjahren können instabile Strukturen wie die so genannten Balken von Spiralgalaxien Materie ins Zentrum treiben. Für die dazwischen liegenden Größenskalen ist die Lösung noch unsicher. Um dieses Problem geht es in der vorliegenden Studie: Wie wird Materie auf diesen mittleren Größenskalen hin zum Schwarzen Loch transportiert?

Warum galten Verschmelzungen als plausibler Lösungsvorschlag?
Die Studie von David Sanders und seinen Kollegen aus den späten 1980er Jahren, die einen Zusammenhang zwischen Galaxienaktivität und Verschmelzungen vorschlug, hatte Galaxien betrachtet, die im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums extrem leuchtstark sind (ULIRGs oder »ultra-luminous infrared galaxies«). So gut wie alle dieser Galaxien hatten einen aktiven Galaxienkern – extrem helles Leuchten aufgrund von Materie, das in das zentrale Schwarze Loch fällt – und zeigten außerdem die Verzerrungen, die auf eine nicht allzu lange zurückliegende Verschmelzung mit einer Galaxie vergleichbarer Größe (»major merger«) schließen lassen. Solche Verschmelzungen sind wichtiger Bestandteil des allgemein akzeptierten Modells der Galaxienevolution, und bieten eine mögliche Lösung für das Transportproblem: Wenn zwei Galaxien verschmelzen, dann treten Gezeitenkräfte auf – vergleichbar den Kräften, die für die Gezeiten hier auf der Erde verantwortlich sind – die das in beiden Galaxien enthaltene Gas stören und dafür sorgen können, dass zumindest ein bestimmter Anteil dieses Gases auf die jeweilige Zentralregion zu stürzt, um am Ende im supermassereichen Schwarzen Loch der Galaxie zu landen.

Wie unterscheidet sich diese Studie von vorangehenden Studien des gleichen Problems?
Im Laufe der letzten 20 Jahre gab es eine Reihe von Studien, den vermuteten Zusammenhang zwischen großen Verschmelzungen (»major mergers«) und der Aktivität von AGNs zu untersuchen – allerdings mit widersprüchlichen Resultaten: Einige der Studien schienen den Zusammenhang zu bestätigen, andere widersprachen ihm. Die Widersprüche zwischen den Studien lassen sich auf verschiedene Faktoren zurückführen: Einige der Studien betrachteten allzu kleine Stichproben, andere legten unterschiedliche Kriterien an die Auswahl der aktiven Galaxien einerseits und der inaktiven Galaxien andererseits an, und liefen damit Gefahr, Äpfel mit Birnen zu vergleichen. Die hier vorgestellte Studie hat dagegen eine große Anzahl von Galaxien betrachtet und sowohl aktive wie auch inaktive Galaxien aus der gleichen Datensammlung (siehe nächste Frage) ausgewählt. So werden Probleme mit zu geringer Stichprobengröße und mit Auswahleffekten vermieden.

Wie wurde die Stichprobe ausgewählt?
Die Auswahl begann mit insgesamt 2000 Röntgenquellen – Kandidaten für aktive Galaxienkerne – die das Weltraumteleskop XMM-Newton gefunden hatte. Nachbeobachtungen und die Suche nach typischen Erkennungsmerkmalen aktiver Galaxienkerne – etwa bestimmter Spektrallinien, von denen bekannt ist, dass AGN dort große Mengen von Energie aussenden – ermöglichten es, unter den Röntgenquellen rund 1000 AGN zu identifizieren und ihre Entfernungen zu bestimmen. Rund 140 davon befanden sich in dem Entfernungsintervall, dass sich die Forscher für diese Studie vorgenommen hatten: Bei weiter entfernten AGN lässt sich die Form der umgebenden Galaxie nicht mehr deutlich genug bestimmen. Für jede dieser 140 ausgewählten aktiven Galaxien wurden 9 inaktive Galaxien in vergleichbarer Entfernung als Kontrollgruppe gewählt. So ergab sich eine Gesamtzahl von 1400 Galaxien.

Wie wurde die blinde Studie durchgeführt?
Das im sichtbaren Licht aufgenommene Bild einer aktiven Galaxie zeigt in der Mitte der Galaxie einen hellen Kern. Die Helligkeitsverteilung dieses Bildes des Kerns kann sehr genau modelliert werden, und Cisternas verwendete solche Modelle, um die Spuren des aktiven Kerns aus dem Bild zu entfernen. Das gelingt niemals perfekt, und die Prozedur hinterlässt charakteristische Spuren (etwa einige dunkle Pixel in der Bildmitte). Solche Spuren fügte Cisternas dann nachträglich den Bildern der inaktiven Galaxien hinzu, so dass sich die Bilder der inaktiven und aktiven Galaxien am Ende nicht mehr unterscheiden ließen. So konnte sichergestellt werden, dass die Astronomen jeweils nicht wussten, ob sie gerade das Bild einer inaktiven oder einer aktiven Galaxie betrachteten.

Die Einschätzungen der Astronomen zur Verzerrung der Galaxien waren recht unterschiedlich: Einige wandten strengere Kriterien an und klassifizierten lediglich 3% der Galaxien als verzerrt, andere sahen Verzerrung bei 30% der Galaxien. Für das Ergebnis der Studie fallen solche Unterschiede nicht ins Gewicht. Wichtig ist dafür allein, dass sich bei all diesen verschiedenen Klassifikationen jeweils kein Unterschied in der Häufigkeit von Verzerrungen bei aktiven und bei inaktiven Galaxien ergab.

Welche Teleskope wurden für die Studie benutzt?
Die Studie wurde im Rahmen der COSMOS-Kollaboration durchgeführt, eines internationalen Projekts, dessen Ziel darin besteht, die größte jemals abgebildete zusammenhängende Himmelsregion mit dem  Weltraumteleskop HUBBLE, zu beobachten und auch bei anderen Wellenlängen zu erforschen – im Röntgenlicht mit ESA's XMM-Newton und dem Chandra-Röntgenteleskop der NASA, im Infraroten mit NASA's Weltraumteleskop Spitzer. Zahlreiche ergänzende Beobachtungen werden mit verschiedenen bodengestützten Teleskopen vorgenommen, vom Ultravioletten bis zum Radiowellenlängenbereich.

Die hier vorgestellte Studie basiert auf Bildern des NASA/ESA-Weltraumteleskops HUBBLE,. Diese Bilder sind der Schlüssel zu Studien dieser Art: Um zu entscheiden, ob eine Galaxie in eine Verschmelzung verwickelt war oder nicht, muss man ihre Form untersuchen; die dafür nötigen detailreichen Aufnahmen von hinreichend vielen Galaxien wurden erst mit den umfangreichen HUBBLE,-Durchmusterungen verfügbar. AGN-Kandidaten wurden mit Hilfe von Beobachtungen des XMM-Newton-Röntgenteleskops der ESO, ausgewählt; ihre Aktivität wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO, und dem Magellan-Teleskop der Carnegie Institution näher untersucht.

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Abbildung 2: Das COSMOS-Feld, aus dem die für diese Studie untersuchten aktiven und
inaktiven Galaxien ausgesucht wurden. Als Größenvergleich der Vollmond.

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Wie füttert man gigantische schwarze Löcher?

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