Neue Studie zu den Massen supermassiver Schwarzer Löcher

Die Galaxie NGC 5548 besitzt ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. (Credits: ESA / Hubble and NASA. Acknowledgement: Davide de Martin)
Die Galaxie NGC 5548 besitzt ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. (Credits: ESA / Hubble and NASA. Acknowledgement: Davide de Martin)

Man nimmt an, dass die meisten Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Kern besitzen – ein Objekt mit einer Masse von mehr als einer Million Sonnenmassen. Beispielsweise besitzt Unsere Milchstraßen-Galaxie in ihren Zentrum ein Schwarzes Loch mit vier Millionen Sonnenmassen. Die extremsten Beispiele werden auf Massen von bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen geschätzt. Sowohl aktive als auch inaktive Galaxien besitzen supermassive Schwarze Löcher, aber erstere sammeln aktiv Materie und emittieren Strahlung aus der heißen Umgebung.

Die Massen dieser Objekte werden normalerweise direkt anhand der Bewegungen von Gas oder Sternen unter der starken gravitativen Präsenz des Kerns gemessen. Indirekte Messungen können aus ergänzenden Beobachtungen abgeleitet werden. Zum Beispiel scheinen die Massen von supermassiven schwarzen Löchern eng mit der stellaren Masse und mit der Geschwindigkeitsdispersion ihrer Heimatgalaxien zusammenzuhängen.

Weil Schwarze Löcher mit der Zeit wachsen, sprechen diese Korrelationen dafür, dass es eine Art Parallelentwicklung mit der Galaxie gibt, aber wie sie aussieht und wie sie verläuft, ist nicht verstanden. Inaktive Galaxien zeigen manchmal eine andere Korrelation als aktive. Möglicherweise liegt das an fehlerhaften Stichproben. Einige Wissenschaftler haben argumentiert, dass die Korrelation mit der stellaren Masse nur ein Nebeneffekt der grundlegenderen Zusammenhänge mit der Geschwindigkeitsdispersion ist.

Die CfA-Astronomin Francesca Civano ist Mitglied eines Teams, das Daten des Röntgenteleskops Chandra und anderer Röntgenmissionen nutzte, um das Schlüsselproblem zu untersuchen, ob die Folgen der Zielauswahl von Beobachtungen in dem Auftauchen einer Korrelation resultieren. Die begrenzten Möglichkeiten moderner Teleskope, etwa die unweigerliche Bevorzugung von Galaxien mit den größten Gas- und Sternbewegungen, sowie Computersimulationen haben gezeigt, dass dieser Effekt allein für das Auftauchen einer Korrelation verantwortlich sein könnte.

Die Forscher betrachteten stattdessen die Röntgenhelligkeit einer Stichprobe aus Galaxien – ein Maß für Ansammlung von Materie ihrer supermassiven Schwarzen Löcher, was wiederum ein Maß für ihre Massen und ihre Effizienz bei der Erzeugung von Strahlung ist. Die Technik der Astronomen nutzt die Röntgenemissionen einzelner Galaxien, um die Massen abzuleiten und ist zuverlässiger als ähnliche, ältere Versuche mittels kombinierten Durchschnittswerten der Röntgenemissionen.

Die Astronomen stellten fest, dass die stellaren Massen der Galaxien und ihrer supermassiven Schwarzen Löcher tatsächlich gemeinsam zu wachsen scheinen und dass dieser Zusammenhang bis in die Epoche vor etwa zehn Milliarden Jahren hinein fast unabhängig vom Alter ist. Dieses Ergebnis liefert unabhängige Belege dafür, dass frühere Korrelationen durch Folgen der Zielauswahl entstanden, zumindest bei jenen, die aus der Kinematik abgeleitet wurden.

Das Team berichtet auch eine Überraschung: Die Effizienz der akkretionsbedingten Strahlung beträgt anscheinend 15 Prozent – fast zehnmal mehr als laut der Theorie erwartet wurde – und deutet darauf hin, dass die Schwarzen Löcher schnell rotieren, weil rotierende Schwarze Löcher effizientere Strahlungsquellen sein sollten.

Abhandlung: “Probing Black Hole Accretion Tracks, Scaling Relations, and Radiative Efficiencies from Stacked X-ray Active Galactic Nuclei” von Francesco Shankar et al. MNRAS, 493, 1500, 2020.

Quelle

(THK)

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