Ein nahes Schwarzes Loch als Fenster in das frühe Universum
Ein schwarzes Loch in unserer kosmischen Nachbarschaft erweist sich als ähnlich gefräßig wie solche kurz nach der Entstehung des Universums
Auf den Punkt gebracht
Galaxie von ausdauernder Helligkeit: Ein internationales Team unter der Leitung von Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie untersuchte eine Galaxie, die seit mehr als acht Jahren außergewöhnlich hell im Radiolicht leuchtet. Das deutet darauf hin, dass über eine sehr lange Zeit viel Masse auf das extrem massereiche schwarze Loch im Zentrum fällt.
Vergleichsweise junge Galaxie: So ein „Akkretionsverhalten“ ist bisher nur für schwarze Löcher aus dem frühen Universum bekannt, also „kurz“ nach dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. Die Galaxie in dieser Studie ist hingegen nur 1,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Sie ist wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit also deutlich jünger als das Universum.
Wie schwarze Löcher wachsen: Die Galaxie aus der Studie ist aufgrund ihrer Nähe deutlich einfacher zu beobachten als Galaxien kurz nach dem Urknall. An ihr lässt sich daher besser verstehen, wie schwarze Löcher in der Frühzeit des Universums wachsen und wie sich aus dem Materiestrudel um sie herum Materiejets entfesseln, die einfallende Materie in einem gebündelten Strahl aus dem Zentrum der Galaxie heraus beschleunigen.
Kurzlebige Quellen von Radiostrahlung am Himmel, sogenannte Radio-Transienten, können in der Umgebung von Schwarzen Löchern entstehen. Sie sind das Ergebnis von Prozessen, die unter extremen physikalischen Bedingungen ablaufen. Während die meisten Radio-Transienten nur Tage oder Wochen andauern, leuchtet das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie SDSS J110546.07+145202.4 seit mehreren Jahren sehr hell im Radiolicht – als erste Quelle ihrer Art.
Ein internationales Team um Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie untersuchte die einzigartige Galaxie mit Hilfe neuer Beobachtungen und Archivdaten, die von niederenergetischer Radiostrahlung bis hin zu hochenergetischem Röntgenlicht reichen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.
Laut und langlebig
Die Spiralgalaxie SDSS J110546.07+145202.4 befindet sich rund 1,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Löwe. Die Intensität ihrer Radiostrahlung hat sich innerhalb kurzer Zeit um mehr als das 20-Fache erhöht und zeigt keine Anzeichen einer Abschwächung. Seit mittlerweile über acht Jahren leuchtet die Galaxie außergewöhnlich hell im Radiobereich – rund zehn Billiarden (1016) Mal so intensiv wie unsere Sonne. „Wir haben es mit dem Prototyp einer neuen Klasse von Galaxien zu tun, die sich im Radiobereich kurzfristig stark ändern“, kommentiert Co-Autor Phil Edwards von der australischen nationalen Wissenschaftsagentur (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO).
Die Quelle der Radiostrahlung liegt am Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie. Dieses hat eine vergleichsweise geringe Masse, die sich durch das Aufsammeln (Akkretieren) von Materie jedoch außergewöhnlich schnell erhöht. „Helle Radiostrahlung von rapide wachsenden, leichten Schwarzen Löchern ist ohnehin selten. Der Eintritt in einen langlebigen, radiohellen Zustand wurde vorher noch nie beobachtet“, berichtet Erstautorin Stefanie Komossa. „Folgebeobachtungen mit zahlreichen Teleskopen, unter anderem mit dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg, dem Australia Telescope Compact Array von CSIRO und Satelliten im Weltraum, bestätigen die einzigartigen Eigenschaften der Quelle“, ergänzt Co-Autor Alexander Kraus.
Das Team vermutet auf Grundlage des umfangreichen Datensatzes, dass seit einigen Jahren mehr Materie in das Schwarze Loch fällt, was wiederum einen Jet gestartet hat – einen gebündelten Strahl fast lichtschneller Teilchen, die Strahlung abgeben. Warum genau mehr Materie in das Schwarze Loch fällt und warum der Ausbruch schon so lange andauert, ist noch nicht abschließend geklärt.
Ein lokales Labor für das frühe Universum
Eine geringe Masse und ein schnelles Wachstum sind genau die Eigenschaften von zentralen Schwarzen Löchern, die man von Galaxien im frühen Universum erwartet. SDSS J110546.07+145202.4 befindet sich im Vergleich zu diesen weit entfernten Quellen jedoch in unserer kosmischen Nachbarschaft. Das ermöglicht detaillierte Beobachtungen und Rückschlüsse auf die physikalischen Prozesse rund um die Entwicklung Schwarzer Löcher und das Entstehen von Jets.
„Solche hochenergetischen Ereignisse können Astronomen eine Fülle von Erkenntnissen liefern. Durch das Beobachten dieser Jets und Ausbrüche können wir die physikalischen Vorgänge in einigen der extremsten Umgebungen des Universums untersuchen“, erläutert Co-Autor Kovi Rose vom Sydney Institute for Astronomy der Universität Sydney.
Mit hochauflösenden Instrumenten wie dem Very Long Baseline Array, einem großen Netzwerk aus Radioteleskopen, wird sich in Zukunft die Struktur des Jets darstellen und die Entwicklung der Radiostrahlung über weitere Jahre verfolgen lassen. „Mit empfindlichen Anlagen wie dem kommenden Square Kilometre Array, oder SKA, wird man ähnliche Radio-Transienten in zukünftigen Himmelsdurchmusterungen identifizieren können. Das ist entscheidend, um Lücken in unserem Verständnis des frühen Universums zu schließen“, sagt Stefanie Komossa.
Hintergrundinformationen
Die an der Studie beteiligten Forschenden sind: Stefanie Komossa, Dirk Grupe, Alexander Kraus, Philip Edwards, Emily Florence Kerrison, Kovi Rose, Roberto Soria, Tao An, Martin Hardcastle, Krisztina Éva Gabányi, Swayamtrupta Panda, Dawei Xu, Jing Wang, Sandor Frey und Attila Mezősi.
Davon sind mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie affiliiert: Stefanie Komossa und Alexander Kraus.
