Neue Studie untersucht die Bildung von Wolken in der Nähe Schwarzer Löcher

Künstlerische Darstellung eines Quasars, der von einem Torus aus Staub und dichteren Wolken-"Klumpen" umgeben ist. (Credits: Illustration by Nima Abkenar)
Künstlerische Darstellung eines Quasars, der von einem Torus aus Staub und dichteren Wolken-"Klumpen" umgeben ist. (Credits: Illustration by Nima Abkenar)

Wenn man erst einmal den majestätischen Himmel der Erde hinter sich gelassen hat, meint das Wort “Wolke” nicht länger eine weiße, locker aussehende Struktur, die Regen produziert. Stattdessen sind Wolken im Universum Gebiete mit höherer Dichte als ihre Umgebungen.

Weltraumteleskope haben diese kosmischen Wolken in der Nähe von supermassiven Schwarzen Löchern beobachtet, jenen rätselhaften, dichten Objekten mit Massen von mehr als 100.000 Sonnenmassen, aus denen kein Licht entkommen kann. Im Zentrum fast jeder Galaxie gibt es ein supermassives Schwarzes Loch, und wenn es Gas und Staub aus seiner Umgebung verschlingt, wird es als aktiver galaktischer Kern bezeichnet. Der hellste Typ von aktiven galaktischen Kernen ist ein sogenannter Quasar. Während das Schwarze Loch selbst nicht beobachtet werden kann, leuchtet seine Umgebung extrem hell, wenn Materie in der Nähe des Ereignishorizonts zerrissen wird.

Aber Schwarze Löcher sind nicht wirklich wie Staubsauger: Sie saugen nicht einfach alles auf, was ihnen zu nahe kommt. Während ein Teil der Materie um ein Schwarzes Loch direkt hineinfallen und nie wieder gesehen wird, wird ein anderer Teil des nahen Gases in den Weltraum katapultiert und erzeugt eine Hülle, die sich über tausende Jahre ausdehnt. Das liegt daran, dass die Region nahe des Ereignishorizonts extrem energiereich ist. Die hochenergetische Strahlung der schnellen Teilchen um das Schwarze Loch kann einen enormen Anteil des Gases in die Weite des Weltraums katapultieren.

Wissenschaftler würden erwarten, dass diese Gasausströmung gleichförmig ist. Stattdessen ist sie klumpig und erstreckt sich von dem Schwarzen Loch mehr als 3,3 Lichtjahre weit in den Weltraum. Jede Wolke beginnt klein, aber kann mehr als ein Parsec (3,26 Lichtjahre) groß werden. Sie könnte die gesamte Distanz zwischen der Erde und dem nächsten Stern jenseits der Sonne – Proxima Centauri – einhüllen.

Der Astrophysiker Daniel Proga von der University of Nevada in Las Vegas vergleicht die Klumpen mit Gruppen von Autos, die auf einem Autobahnzubringer mit Ampelschaltung warten, welche den Zustrom neuer Autos in den Verkehrsfluss regelt. “Ab und zu hat man dann mehrere Autos”, sagte er.

Was erklärt diese Klumpen im Weltraum? Proga und seine Kollegen haben ein neues Computermodell, das eine mögliche Lösung für dieses Rätsel liefert. Die Studie wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht und von dem Doktoranden Randall Dannen geleitet. Die Wissenschaftler zeigen, dass die extreme Hitze in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs dem Gas ermöglichen kann, wirklich schnell nach außen zu strömen – aber auf eine Weise, die auch zur Bildung von Verklumpungen führen kann. Wenn das Gas zu schnell beschleunigt, wird es nicht stark genug abkühlen, um Klumpen zu bilden. Das Computermodell berücksichtigt diese Faktoren und schlägt einen Mechanismus vor, um das Gas in große Distanzen zu tragen, aber auch verklumpen zu lassen.

“In der Nähe des äußeren Randes der Hülle gibt es eine Störung, welche die Gasdichte etwas geringer werden lässt als sonst”, sagte Proga. “Dadurch heizt sich dieses Gas sehr effizient auf. Das kühle Gas weiter außen wird dadurch weggetragen.”

Dieses Phänomen ist ähnlich wie der Auftrieb, der Heißluftballons schweben lässt. Die heiße Luft in dem Ballon ist leichter als die kühlere Luft außerhalb und dieser Dichteunterschied lässt den Ballon aufsteigen.

“Diese Arbeit ist wichtig, weil Astronomen die Wolken immer hinsichtlich ihrer Position und Geschwindigkeit einordnen müssen, damit sie zu unseren Beobachtungen von aktiven galaktischen Kernen passen”, sagte Dannen. “Sie haben sich nicht oft mit den Bedingungen beschäftigt, wie die Wolken entstanden. Unsere Arbeit liefert eine mögliche Erklärung für die Entstehung dieser Wolken.”

Dieses Modell betrachtet nur die Gashülle, nicht die Materiescheibe um das Schwarze Loch. Der nächste Schritt der Forscher ist die Untersuchung, ob der Gasstrom aus der Scheibe selbst stammt. Sie sind auch daran interessiert, das Rätsel anzugehen, warum sich manche Wolken extrem schnell bewegen, im Geschwindigkeitsbereich von 10.000 Kilometern pro Sekunde.

Diese Forschungsarbeit beschäftigt sich mit einem wichtigen Thema bezüglich der Physik von aktiven galaktischen Kernen und wurde durch Fördermittel der NASA unterstützt. Die Autoren sind Dannen, Proga, sowie der Postdoktorand Tim Waters von der University of Nevada in Las Vegas und der frühere Postdoktorand Sergei Dyda (ehemals an der UNLV und jetzt an der University of Cambridge).

Quelle

(THK)

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