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Originalveröffentlichung

Cisternas et al.
The bulk of black hole growth since z~1 occurs in a secular universe: no major merger-AGN connection

Astrophysik

Schwarze Löcher werden sanft gefüttert

Der Zusammenstoß von Galaxien ist nicht der wichtigste Mechanismus, der diesen Massemonstern Materie zuführt

5. Januar 2011

In neuem Licht erscheinen die Essgewohnheiten von gigantischen Schwarzen Löchern, die hinter aktiven Galaxienkernen stecken. Bisher nämlich 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 gibt jedoch klare Anhaltspunkte dafür, dass die Schwarzen Löcher ihre Nahrung zumindest während der vergangenen acht Milliarden Jahre auf weniger gewaltsame Weise vorgesetzt bekommen haben. (Astrophysical Journal , 10. Januar 2011)

Wenn Verschmelzungen großer Galaxien dafür sorgen, dass die zentralen Schwarzen Löcher solcher Galaxien mit Materie gefüttert werden und dann zu leuchten beginnen, sollte man bei aktiven Galaxien (links) häufiger Verzerrungen – also die Spuren solcher Verschmelzungen – finden als bei inaktiven Galaxien (rechts). Das ist jedoch nicht der Fall. Bild vergrößern
Wenn Verschmelzungen großer Galaxien dafür sorgen, dass die zentralen Schwarzen Löcher solcher Galaxien mit Materie gefüttert werden und dann zu leuchten beginnen, sollte man bei aktiven Galaxien (links) häufiger Verzerrungen – also die Spuren solcher Verschmelzungen – finden als bei inaktiven Galaxien (rechts). Das ist jedoch nicht der Fall. [weniger]

Aktive Galaxienkerne (AGN) zählen zu den hellsten Leuchterscheinungen im All. Ihre enorme Energie rührt von Materie her, die in das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie fällt. Allerdings ist bislang ungeklärt, wie diese Materie über die letzten wenigen Lichtjahre in die unmittelbare Umgebung des Massemonsters gelangt.

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, würde das Gas dramatisch gestört – und einiges davon würde in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs fallen. Ein plausibles Szenario. Doch nur eine systematische Studie würde zeigen, ob sich die riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien tatsächlich auf diese Weise füttern lassen.

Dieses Ziel steckten sich im Jahr 2008 Mauricio Cisternas und Knud Jahnke vom Max-Planck-Institut für Astronomie. „Eine so umfassende Studie ist erst kürzlich möglich geworden. Nur die neuesten Durchmusterungen des Weltraumteleskops Hubble liefern die dafür nötigen Daten“, sagt Cisternas. Vorher habe es keine Möglichkeit gegeben, eine genügend große Anzahl von weit entfernten aktiven Galaxien hinreichend detailliert zu untersuchen.

Cisternas und seine Kollegen nutzten die Daten von 140 aktiven Galaxienkernen, 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 acht Milliarden Jahre unterwegs, bevor es uns erreichte: Wir sehen diese Galaxienkerne so, wie sie vor acht Milliarden Jahren aussahen. Damit umfasst die Stichprobe Daten zum Wachstum Schwarzer Löcher während der gesamten zweiten Hälfte der Geschichte des Universums.

Die Astronomen stellten außerdem eine Kontrollgruppe von normalen Galaxien zusammen – Milchstraßensysteme ohne zentrales Schwarzes Loch, das große Mengen an Materie verschluckt. Für jeden AGN in der Studie wurden aus demselben Satz von Hubble-Bildern neun nichtaktive Galaxien in ungefähr derselben Entfernung und mit derselben Masse ausgewählt, die damit in dieselbe Ära kosmischer Entwicklung gehören. Insgesamt kamen die Forscher auf eine Stichprobe von 1400 Galaxien. Diese Auswahl erlaubte es, aktive Galaxien und eine dazugehörige Population nicht-aktiver Galaxien direkt miteinander zu vergleichen.

Die Tatsache, dass eine Galaxie in den vergangenen hunderten Millionen Jahren das „Opfer“ einer großen Verschmelzung war, zeigt sich an ihrer Gestalt: Sie ist dann in charakteristischer Weise verzerrt. Für Bilder von weit entfernten Galaxien ist die automatische Auswertung durch Computerprogramme allerdings nur zweite Wahl. Als deutlich effektiver erweist es sich, die Aufnahmen von Astronomen direkt begutachten zu lassen. „Allerdings hatten wir dabei das Problem, wie wir mit Erwartungen und mit möglichen Vorurteilen umgehen sollten. Alle Beteiligten kannten Galaxienverschmelzungen als plausiblen Mechanismus für die AGN-Aktivität – würden sie die AGN daher unbewusst häufiger als verzerrt einstufen?”, sagt Koautor Knud Jahnke.

Um solche unbewussten Fehleinschätzungen auszuschließen, entschieden die Forscher, ihr Projekt als Blindstudie auszuführen – ein Standardverfahren etwa in der medizinischen Forschung, aber in der Astronomie recht ungewöhnlich. Mauricio Cisternas entfernte diejenigen Bildbestandteile, die auf die Aktivität einer Galaxie hinweisen, sodass 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 mit der Aufgabe, jede Galaxie als “verzerrt” oder “nicht verzerrt” einzuschätzen. Im Einzelnen waren die Beurteilungen der Experten durchaus unterschiedlich – ein Zeichen dafür, dass die Astronomen unterschiedlich strenge Kriterien anlegten.

Doch bei dem entscheidenden Aspekt kamen alle zum selben Ergebnis: Keine der Klassifikationen zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen aktiven und inaktiven Galaxien. Es gab offenbar keinen signifikanten Zusammenhang zwischen der Aktivität einer Galaxie und ihrer Verzerrung, und damit offenbar keine Korrelation zwischen einem „fetten“ galaktischen Schwarzen Loch und der Teilnahme der Galaxie an großen Verschmelzungsereignissen.

Galaxienverschmelzungen sind in der kosmischen Geschichte durchaus häufig und sie tragen zumindest zur Aktivität einiger AGN bei. 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 Prozent – und vielleicht sogar für die gesamte AGN-Aktivität der vergangenen acht 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.

Könnte es wenigstens in noch fernerer Vergangenheit – also bei noch weiter entfernten aktiven Galaxien – einen Zusammenhang zwischen Verschmelzungen und Aktivität der galaktischen Kerne gegeben haben? Dieser Frage will sich das Team 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.

(MP / HOR)

 
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