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SCHWARZE LÖCHER
Wie Jets die Sternentstehung beeinflussen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Köln 
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25. Juli 2022

In den Zentren praktisch aller Galaxien befinden sich supermassereiche Schwarze Löcher. Von diesen können gewaltige Jets ausgehen, so dass die Schwarzen Löcher indirekt auch Einfluss auf entferntere Bereiche der Galaxie ausüben. Ein internationales Forschungsteam hat dies nun mithilfe von Beobachtungen und Simulationen genauer untersucht.

IC 5063

Die Galaxie IC 5063 in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Bild: NASA, ESA und W. P. Maksym (CfA)  [Großansicht]

Ein europäisches Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Professorin Kalliopi Dasyra von der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen und unter Beteiligung von Dr. Thomas Bisbas von der Universität Köln hat mehrere Emissionslinien in Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) und dem Very Large Telescope (VLT) modelliert, um den Gasdruck sowohl in Gaswolken, die von Jets getroffen werden, als auch in Gaswolken der Umgebung zu messen. Auf diese Weise konnten die Forschenden erstmals zeigen, dass die Jets den inneren und äußeren Druck der Molekülwolken auf ihrem Weg erheblich verändern. Je nachdem, welcher der beiden Drücke sich am stärksten verändert, sind in derselben Galaxie sowohl eine Verdichtung der Wolken und eine Auslösung der Sternentstehung als auch eine Auflösung der Wolken und eine Verzögerung der Sternentstehung möglich.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher, auch wenn sie sich in den Zentren von Galaxien befinden, die Sternentstehung galaxienweit beeinflussen können", erläutert Dasyra. "Die Untersuchung der Auswirkungen von Druckänderungen auf die Stabilität von Wolken war der Schlüssel zum Erfolg dieses Projekts. Sobald sich nur wenige Sterne in einem Wind bilden, ist es normalerweise sehr schwierig, ihr Signal zusätzlich zu den Signalen aller anderen Sterne in der Galaxie, die den Wind beherbergt, zu erkennen."

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Man geht davon aus, dass sich in den Zentren der meisten Galaxien in unserem Universum supermassereiche Schwarze Löcher befinden. Wenn Teilchen, die auf diese Schwarzen Löcher einfallen, von Magnetfeldern eingefangen werden, können sie nach außen geschleudert werden und sich in Form von gewaltigen und starken Plasmastrahlen weit durch die Galaxien bewegen. Diese Jets verlaufen oft senkrecht zu den galaktischen Scheiben. In IC 5063, einer 156 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, breiten sich die Jets jedoch tatsächlich innerhalb der Scheibe aus, wobei sie mit kalten und dichten molekularen Gaswolken in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkung könnte zu einer Kompression der von den Jets getroffenen Wolken führen, was wiederum zu gravitativen Instabilitäten und schließlich zur Sternentstehung aufgrund der Kondensation des Gases führen könnte.

Für die Studie nutzte das Team die aus ALMA-Beobachtungen bekannten Emissionen von Kohlenmonoxid (CO) und Formylkation (HCO+) sowie die vom VLT gelieferten Emissionen von ionisiertem Schwefel und ionisiertem Stickstoff. Anschließend verwendeten sie fortschrittliche und innovative astrochemische Algorithmen, um die Umgebungsbedingungen im Ausfluss und im umgebenden Medium genau zu bestimmen. Diese Umgebungsbedingungen enthalten Informationen über die Stärke der fernen ultravioletten Strahlung von Sternen, die Geschwindigkeit, mit der relativistische, geladene Teilchen das Gas ionisieren, und die mechanische Energie, die von den Jets auf das Gas übertragen wird. Die Eingrenzung dieser Bedingungen ergab die Dichten und Gastemperaturen, die für verschiedene Teile dieser Galaxie charakteristisch sind und aus denen sich dann die Drücke ableiten lassen.

"Wir haben viele tausend astrochemische Simulationen durchgeführt, um ein breites Spektrum an Möglichkeiten abzudecken, die in IC 5063 existieren könnten", sagt Dr. Thomas Bisbas, DFG-Stipendiat der Universität zu Köln und ehemaliger Postdoktorand am National Observatory of Athens. Eine Herausforderung der Arbeit war es, so viele physikalische Einschränkungen wie möglich für den untersuchten Bereich zu identifizieren, den jeder Parameter haben könnte. "Auf diese Weise konnten wir die optimale Kombination von physikalischen Parametern der Wolken an verschiedenen Orten der Galaxie ermitteln", so Teammitglied Georgios Filippos Paraschos, Doktorand am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und ehemaliger Masterstudent an der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen.

Tatsächlich wurden die Drücke nicht nur für einige wenige Stellen in IC 5063 gemessen. Stattdessen wurden Karten dieser und anderer Größen im Zentrum dieser Galaxie erstellt. Anhand dieser Karten konnten die Autoren veranschaulichen, wie sich die Gaseigenschaften aufgrund der Jetpassage von einem Ort zum anderen verändern. Das Team freut sich nun auf den nächsten großen Schritt in diesem Projekt: den Einsatz des James-Webb-Weltraumteleskops für weitere Untersuchungen des Drucks in den äußeren Wolkenschichten, wie er durch warmes Wasserstoffgas gemessen wird. "Wir freuen uns sehr auf die Daten vom James Webb Space Telescope", so Dasyra, "denn sie werden es uns ermöglichen, die Jet-Wolken-Wechselwirkung mit einer außerordentlichen Auflösung zu untersuchen".

Die Ergebnisse der Studie wurde in einem Fachartikel veröffentlicht, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.

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siehe auch
Herschel: Schwarze Löcher drosseln Sternentstehung - 15. Mai 2012
Chandra: Wie Schwarze Löcher Galaxien beeinflussen - 4. März 2010
Quasare: Schwarzes Loch hilft bei Galaxiengeburt - 1. Dezember 2009
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