Chandra beobachtet zwei Red-Nugget-Galaxien

Vor rund einem Jahrzehnt entdeckten Astronomen eine Population kleiner aber massereicher Galaxien, die sie als „Red Nuggets“ (etwa: Rote Klümpchen) bezeichneten. Eine neue Studie mit dem Chandra X-ray Observatory der NASA deutet darauf hin, dass Schwarze Löcher die Sternentstehung in diesen Galaxien bremsten und einen Teil des ungenutzten stellaren Brennstoffs aufnahmen, um ungewöhnlich massereich zu werden.

Red Nuggets wurden erstmals vom Weltraumteleskop Hubble in großen Entfernungen zur Erde entdeckt, was einer Zeitspanne zwischen drei und vier Milliarden Jahren nach dem Urknall entspricht. Sie sind Relikte der ersten massereichen Galaxien, die sich in der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall bildeten. Astronomen vermuten, dass sie die Vorläufer der elliptischen Riesengalaxien sind, die im lokalen Universum beobachtet werden. Die Massen der Red Nuggets sind vergleichbar mit jenen der elliptischen Riesengalaxien, aber sie besitzen nur ungefähr ein Fünftel ihrer Größe.

Während die meisten Red Nuggets im Verlauf von Milliarden Jahren mit anderen Galaxien verschmolzen, schaffte es eine kleine Anzahl, in der langen Geschichte des Universums unberührt zu bleiben. Diese unberührten Red Nuggets repräsentieren eine einmalige Gelegenheit, um zu untersuchen, wie die Galaxien und die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren über Milliarden Jahre hinweg in Isolation agierten.

Zum ersten Mal wurde Chandra verwendet, um das heiße Gas in zwei isolierten Red Nuggets zu untersuchen, in MRK 1216 und PGC 032873. Sie liegen nur 295 Millionen beziehungsweise 344 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt – im Gegensatz zu den Milliarden Lichtjahren der ersten bekannten Red Nuggets. Dieses heiße Gas emittiert Röntgenstrahlung und enthält den Prägeaufdruck der Aktivität, die von den supermassiven Schwarzen Löchern in den beiden Galaxien erzeugt wurde.

„Diese Galaxien haben 13 Milliarden Jahre existiert, ohne jemals mit einem anderen Exemplar zu interagieren“, sagte Norbert Werner, von der Lendület Hot Universe and Astrophysics Research Group der MTA-Eötvös University in Budapest (Ungarn), der Leiter der Studie. „Wir sehen, dass die Schwarzen Löcher in diesen Galaxien die Oberhand gewinnen und das Resultat ist nicht gut für entstehende Sterne.“

Astronomen wissen seit langer Zeit, dass ein Teil der Materie, die auf Schwarze Löcher zustürzt, aufgrund starker Gravitations- und Magnetfelder mit hohen Geschwindigkeiten nach außen umgelenkt werden kann. Diese Hochgeschwindigkeitsjets können die Entstehung neuer Sterne zum Erliegen bringen. Das geschieht dadurch, dass die Ausbrüche aus der Umgebung des Schwarzen Lochs eine starke Hitzequelle darstellen, die das heiße interstellare Gas in der Galaxie am Abkühlen hindert, so dass keine große Anzahl neuer Sterne gebildet werden kann.

Die Temperatur des heißen Gases ist – verglichen mit seiner Umgebung – im Zentrum der Galaxie MRK 1216 höher, und zeigt die Auswirkungen kürzlicher Aufheizung durch das Schwarze Loch. Aus dem Zentrum der Galaxie wurden außerdem Radioemissionen empfangen, eine Signatur von den Jets Schwarzer Löcher. Und die Röntgenemissionen aus der Umgebung des Schwarzen Lochs ist etwa hundert Millionen Mal geringer als die theoretische Grenze dessen, wie schnell ein Schwarzes Loch wachsen kann. Diese Grenze wird als Eddington-Grenze bezeichnet und beschreibt eine Region, wo der nach außen gerichtete Strahlungsdruck mit der nach innen gerichteten Gravitationskraft im Gleichgewicht steht.

Die schwachen Röntgenemissionen sind typisch für Schwarze Löcher, die Jets produzieren. All diese Faktoren liefern überzeugende Belege dafür, dass die von den zentralen supermassiven Schwarzen Löchern hervorgerufene Aktivität in diesen Red Nuggets die Entstehung neuer Sterne unterdrückt.

Die Schwarzen Löcher und das heiße Gas könnten noch eine andere Verbindung haben. Die Autoren vermuten, dass ein Großteil ihrer Masse aus dem heißen Gas stammen könnte, das die beiden Galaxien umgibt. Die Schwarzen Löcher in MRK 1216 und PGC 032873 gehören zu den massereichsten bekannten Schwarzen Löchern und weisen Massen von rund fünf Milliarden Sonnenmassen auf. Die Schätzungen beruhen auf optischen Beobachtungen der Sterngeschwindigkeiten in der Nähe der galaktischen Zentren.

Darüber hinaus wird die Masse des Schwarzen Lochs in MRK 1216 und möglicherweise auch die des Schwarzen Lochs in PGC 032873 auf ein paar Prozent der Gesamtmasse aller Sterne in den Zentralregionen der jeweiligen Galaxie geschätzt. In den meisten Galaxien ist das Verhältnis ungefähr zehnmal kleiner.

„Sich selbst überlassen können Schwarze Löcher anscheinend ein bisschen wie ein Rüpel agieren“, sagte der Co-Autor Kiran Lakhchaura von der MTA-Eötvös University.

„Sie verhindern nicht nur die Entstehung neuer Sterne“, sagte Co-Autor Massimo Gaspari ein Einstein-Stipendiat von der Princeton University. „Sie können auch einen Teil der galaktischen Materie nehmen und sich davon ernähren.“

Das heiße Gas in und um PGC 032873 ist außerdem etwa zehnmal schwächer als das heiße Gas um MRK 1216. Weil beide Galaxien sich während der vergangenen 13 Milliarden Jahre in Isolation entwickelt zu haben scheinen, könnte dieser Unterschied auf stärkere Ausbrüche des Schwarzen Lochs in PGC 032873 zurückzuführen sein, die das meiste heiße Gas wegbliesen.

„Die Chandra-Daten verraten uns mehr darüber, wie die lange, einsame Reise dieser Red-Nugget-Galaxien durch die kosmische Zeit aussah“, sagte Co-Autorin Rebecca Canning von der Stanford University. „Obwohl die Galaxien nicht mit anderen interagiert haben, haben sie viel innere Unruhe gezeigt.“

Eine Abhandlung, die diese Ergebnisse beschreibt, wurde in der neuesten Ausgabe der Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht und ist online verfügbar. Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama) leitet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur in Washington. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge (Massachusetts) steuert Chandras Wissenschafts- und Flugoperationen.

Quelle

(THK)