Am 12. Mai, auf neun gleichzeitigen Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, Astrophysiker enthüllte das erste Bild des Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße. So beeindruckend es auch war, schien das sorgfältig erstellte Bild des Lichtrings um den zentralen dunklen Abgrund unserer Galaxie zunächst lediglich zu beweisen, was Experten bereits erwartet hatten: Das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße existiert, es dreht sich und es gehorcht dem von Albert Einstein Allgemeine Relativitätstheorie.
Und doch sieht man bei genauerem Hinsehen nicht, dass alles stimmt.
Aus der Helligkeit des Bagels haben Forscher das Licht abgeschätzt wie schnell Materie fällt auf Sagittarius A* – so heißt das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße. Die Antwort lautet: überhaupt nicht schnell. „Es ist bis auf ein kleines Rinnsal verstopft“, sagte er Priya Natarajan, ein Kosmologe an der Yale University, vergleicht die Galaxie mit einem kaputten Duschkopf. Irgendwie ist das nur ein Tausendstel der Materie fließt in die Milchstraße aus dem umgebenden intergalaktischen Medium gelangt bis in das Loch. „Das offenbart ein riesiges Problem“, sagte Natarajan. „Wohin geht dieses Gas? Was passiert mit dem Fluss? Es ist ganz klar, dass unser Verständnis des Wachstums von Schwarzen Löchern fragwürdig ist.“
Im letzten Vierteljahrhundert haben Astrophysiker erkannt, welch enge, dynamische Beziehung zwischen vielen Galaxien und den Schwarzen Löchern in ihren Zentren besteht. „Es hat einen wirklich großen Wandel in diesem Bereich gegeben“, sagt er Ramesh Narayan, ein theoretischer Astrophysiker an der Harvard University. „Die Überraschung war, dass Schwarze Löcher als Gestalter und Kontrolleure der Galaxienentwicklung eine wichtige Rolle spielen.“
Diese riesigen Löcher – Materiekonzentrationen, die so dicht sind, dass die Schwerkraft sogar das Entweichen von Licht verhindert – sind wie die Motoren von Galaxien, aber Forscher beginnen gerade erst zu verstehen, wie sie funktionieren. Die Schwerkraft zieht Staub und Gas nach innen zum galaktischen Zentrum, wo es eine wirbelnde Akkretionsscheibe um das supermassive Schwarze Loch bildet, sich erhitzt und in weißglühendes Plasma verwandelt. Wenn das Schwarze Loch dann diese Materie verschlingt (entweder in kleinen Tropfen oder in plötzlichen Ausbrüchen), wird in einem Rückkopplungsprozess Energie zurück in die Galaxie gespuckt. „Wenn man ein Schwarzes Loch wachsen lässt, produziert man Energie und gibt sie effizienter an die Umgebung ab als durch jeden anderen Prozess, den wir in der Natur kennen“, sagte er Eliot Quataert, ein theoretischer Astrophysiker an der Princeton University. Diese Rückkopplung beeinflusst die Sternentstehungsraten und Gasströmungsmuster in der gesamten Galaxie.
Forscher haben jedoch nur vage Vorstellungen über die „aktiven“ Episoden supermassiver Schwarzer Löcher, die sie in sogenannte aktive galaktische Kerne (AGNs) verwandeln. „Was ist der auslösende Mechanismus? Was ist der Ausschalter? Das sind die grundlegenden Fragen, die wir immer noch beantworten wollen“, sagte er Kirsten Hall des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Sternrückkopplung, die auftritt, wenn ein Stern als Supernova explodiert, hat bekanntermaßen ähnliche Auswirkungen wie AGN-Rückkopplung in kleinerem Maßstab. Diese Sternmotoren sind problemlos groß genug, um kleine „Zwerggalaxien“ zu regulieren, während nur die riesigen Motoren supermassereicher Schwarzer Löcher die Entwicklung der größten „elliptischen“ Galaxien dominieren können.
Von der Größe her liegt die Milchstraße, eine typische Spiralgalaxie, in der Mitte. Da es in unserem Zentrum nur wenige offensichtliche Anzeichen von Aktivität gibt, ging man lange davon aus, dass unsere Galaxie von stellarer Rückkopplung dominiert wird. Mehrere aktuelle Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass das AGN-Feedback auch Einfluss darauf hat. Durch die Untersuchung der Details des Zusammenspiels dieser Rückkopplungsmechanismen in unserer Heimatgalaxie – und durch die Auseinandersetzung mit Rätseln wie der aktuellen Dunkelheit von Sagittarius A* – hoffen Astrophysiker herauszufinden, wie sich Galaxien und Schwarze Löcher im Allgemeinen gemeinsam entwickeln. Die Milchstraße „entwickelt sich zum leistungsstärksten astrophysikalischen Labor“, sagte Natarajan. Indem es als Mikrokosmos dient, könnte es „den Schlüssel enthalten“.
Galaktische Motoren
In den späten 1990er Jahren akzeptierten Astronomen allgemein die Anwesenheit von Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien. Bis dahin konnten sie nahe genug an diese unsichtbaren Objekte heransehen, um ihre Masse aus den Bewegungen der Sterne um sie herum abzuleiten. A Es entstand ein seltsamer Zusammenhang: Je massereicher eine Galaxie ist, desto schwerer ist ihr zentrales Schwarzes Loch. „Das war besonders eng und absolut revolutionär. „Irgendwie spricht das Schwarze Loch mit der Galaxie“, sagte er Tiziana di Matteo, ein Astrophysiker an der Carnegie Mellon University.
Der Zusammenhang ist überraschend, wenn man bedenkt, dass das Schwarze Loch – so groß es auch ist – nur einen Bruchteil der Größe der Galaxie ausmacht. (Sagittarius A* wiegt beispielsweise etwa 4 Millionen Sonnen, während die Milchstraße etwa 1.5 Billionen Sonnenmassen misst.) Aus diesem Grund wirkt die Schwerkraft des Schwarzen Lochs nur mit einiger Kraft auf den innersten Bereich der Galaxie.
Für Martin Rees, den königlichen Astronomen des Vereinigten Königreichs, bot das AGN-Feedback eine natürliche Möglichkeit, das relativ kleine Schwarze Loch mit der Galaxie als Ganzes zu verbinden. Zwei Jahrzehnte zuvor, in den 1970er Jahren, stellte Rees zu Recht die Hypothese auf, dass es supermassive Schwarze Löcher gibt treibt die leuchtenden Strahlen an beobachtet in einigen weit entfernten, hell leuchtenden Galaxien, die Quasare genannt werden. Er selbst vorgeschlage, zusammen mit Donald Lynden-Bell, dass ein Schwarzes Loch erklären würde, warum das Zentrum der Milchstraße leuchtet. Könnten dies Anzeichen eines allgemeinen Phänomens sein, das die Größe supermassereicher Schwarzer Löcher überall bestimmt?
Die Idee dahinter war, dass ein Schwarzes Loch umso heller wird, je mehr Materie es verschluckt, und dass die erhöhte Energie und Dynamik das Gas nach außen bläst. Schließlich verhindert der äußere Druck, dass Gas in das Schwarze Loch fällt. „Das wird das Wachstum beenden. „Das war im Handumdrehen die Begründung“, sagte Rees. Oder, um es mit Di Matteos Worten zu sagen: „Das Schwarze Loch frisst und schluckt dann.“ Eine sehr große Galaxie belastet das zentrale Schwarze Loch stärker, wodurch es schwieriger wird, Gas nach außen zu blasen, und so wird das Schwarze Loch größer, bevor es verschluckt wird.
Doch nur wenige Astrophysiker waren davon überzeugt, dass die Energie einfallender Materie auf solch dramatische Weise ausgestoßen werden könnte. „Als ich meine Abschlussarbeit schrieb, waren wir alle besessen von Schwarzen Löchern als einem Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt – nur Gas dringt ein“, sagte Natarajan, der als Doktorand von Rees an der Entwicklung der ersten AGN-Rückkopplungsmodelle beteiligt war. „Jeder musste es sehr vorsichtig und behutsam angehen, weil es so radikal war.“
Die Bestätigung der Feedback-Idee erfolgte einige Jahre später durch Computersimulationen, die Di Matteo und die Astrophysiker entwickelten Volker Springl machen Lars Hernquist. „Wir wollten den erstaunlichen Zoo an Galaxien reproduzieren, den wir im realen Universum sehen“, sagte Di Matteo. Sie kannten das Grundbild: Galaxien beginnen im frühen Universum klein und dicht. Drehen Sie die Uhr vorwärts und die Schwerkraft zerschmettert diese Zwerge in einem Feuer spektakulärer Verschmelzungen, die Ringe, Strudel, Zigarren und jede Form dazwischen bilden. Galaxien nehmen an Größe und Vielfalt zu, bis sie nach genügend Kollisionen groß und glatt werden. „Es endet in einem Klecks“, sagte Di Matteo. In den Simulationen konnten sie und ihre Kollegen diese großen, strukturlosen Klumpen, sogenannte elliptische Galaxien, durch mehrmalige Verschmelzung von Spiralgalaxien nachbilden. Aber es gab ein Problem.
Während Spiralgalaxien wie die Milchstraße viele junge Sterne haben, die blau leuchten, enthalten riesige elliptische Galaxien nur sehr alte Sterne, die rot leuchten. „Sie sind rot und tot“, sagte Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. Aber jedes Mal, wenn das Team seine Simulation durchführte, spuckte es blau leuchtende Ellipsentrainer aus. Was auch immer die Sternentstehung ausschaltete, war in ihrem Computermodell nicht erfasst worden.
Dann, sagte Springel, „kamen wir auf die Idee, unsere Galaxienverschmelzungen durch supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum zu verstärken.“ Wir ließen diese Schwarzen Löcher Gas schlucken und Energie freisetzen, bis das Ganze wie ein Schnellkochtopf auseinanderflog. Plötzlich würde die elliptische Galaxie die Sternentstehung stoppen und rot und tot werden.“
„Mir ist die Kinnlade heruntergefallen“, fügte er hinzu. „Wir hatten nicht erwartet, dass [der Effekt] so extrem sein würde.“
Durch die Reproduktion roter und toter EllipsentrainerDie Simulation untermauerte die Rückkopplungstheorien des Schwarzen Lochs von Rees und Natarajan. Ein Schwarzes Loch kann trotz seiner relativ geringen Größe durch Rückkopplung mit der Galaxie als Ganzes kommunizieren. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden die Computermodelle verfeinert und erweitert, um große Teile des Kosmos zu simulieren, und sie entsprechen weitgehend dem vielseitigen Galaxienzoo, den wir um uns herum sehen. Diese Simulationen zeigen auch, dass die von Schwarzen Löchern ausgestoßene Energie den Raum zwischen Galaxien mit heißem Gas füllt, das sonst bereits abgekühlt und zu Sternen geworden wäre. „Die Menschen sind mittlerweile davon überzeugt, dass supermassereiche Schwarze Löcher sehr plausible Motoren sind“, sagte Springel. „Niemand hat ein erfolgreiches Modell ohne Schwarze Löcher entwickelt.“
Geheimnisse des Feedbacks
Dennoch sind die Computersimulationen immer noch überraschend unverblümt.
Wenn Materie nach innen zur Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch kriecht, führt Reibung dazu, dass Energie wieder herausgedrückt wird; Die Menge an Energie, die auf diese Weise verloren geht, ist etwas, was die Programmierer durch Versuch und Irrtum von Hand in ihre Simulationen einfließen lassen. Es ist ein Zeichen dafür, dass die Details noch immer nicht bekannt sind. „Es besteht die Möglichkeit, dass wir in manchen Fällen aus dem falschen Grund die richtige Antwort erhalten“, sagte Quataert. „Vielleicht erfassen wir nicht das eigentlich Wichtigste daran, wie Schwarze Löcher wachsen und wie sie Energie in ihre Umgebung abgeben.“
Die Wahrheit ist, dass Astrophysiker nicht wirklich wissen, wie AGN-Feedback funktioniert. „Wir wissen, wie wichtig es ist. Aber es ist uns nicht klar, was genau dieses Feedback verursacht“, sagte Di Matteo. „Das Hauptproblem besteht darin, dass wir Feedback nicht tiefgreifend und physisch verstehen.“
Sie wissen, dass ein Teil der Energie als Strahlung emittiert wird, was den Zentren aktiver Galaxien ihr charakteristisches helles Leuchten verleiht. Starke Magnetfelder führen auch dazu, dass Materie aus der Akkretionsscheibe herausgeschleudert wird, entweder als diffuse galaktische Winde oder in Form starker, schmaler Jets. Man geht davon aus, dass der Mechanismus, durch den Schwarze Löcher Jets ausstoßen, genannt wird Blandford-Znajek-Prozess, wurde in den 1970er Jahren identifiziert, aber was die Stärke des Strahls bestimmt und wie viel seiner Energie von der Galaxie absorbiert wird, ist „immer noch ein offenes ungelöstes Problem“, sagte Narayan. Noch mysteriöser ist der galaktische Wind, der kugelförmig von der Akkretionsscheibe ausgeht und daher tendenziell direkter mit der Galaxie interagiert als die schmalen Jets. „Die Milliardenfrage ist: Wie ist die Energiekopplung zum Gas?“ sagte Springel.
Ein Zeichen dafür, dass es immer noch ein Problem gibt, ist, dass die Schwarzen Löcher in hochmodernen kosmologischen Simulationen enden kleinere als die beobachteten Größen echter supermassereicher Schwarzer Löcher in einigen Systemen. Um die Sternentstehung zu stoppen und rote und tote Galaxien zu erschaffen, müssen die Simulationen dafür sorgen, dass Schwarze Löcher so viel Energie ausstoßen, dass sie den nach innen gerichteten Materiefluss abwürgen, sodass die Schwarzen Löcher nicht mehr wachsen. „Das Feedback in den Simulationen ist zu aggressiv; es bremst das Wachstum vorzeitig“, sagte Natarajan.
Die Milchstraße veranschaulicht das gegenteilige Problem: Simulationen sagen normalerweise voraus, dass eine Galaxie dieser Größe ein Schwarzes Loch haben sollte, das drei- bis zehnmal größer ist als Sagittarius A*.
Durch einen genaueren Blick auf die Milchstraße und nahe gelegene Galaxien hoffen die Forscher, dass wir beginnen können, die genaue Funktionsweise des AGN-Feedbacks zu entschlüsseln.
Ökosystem der Milchstraße
Im Dezember 2020 berichteten Forscher des Röntgenteleskops eROSITA darüber habe ein paar Blasen entdeckt Er erstreckt sich über Zehntausende Lichtjahre über und unter der Milchstraße. Die riesigen Blasen aus Röntgenstrahlen ähnelten ebenso verwirrenden Blasen aus Gammastrahlen, die das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop zehn Jahre zuvor entdeckt hatte, als sie von der Galaxie ausgingen.
Zwei Entstehungstheorien der Fermi-Blasen wurden noch immer heftig diskutiert. Einige Astrophysiker vermuteten, dass es sich dabei um ein Relikt eines Jets handelte, der vor Millionen von Jahren aus Sagittarius A* schoss. Andere dachten, die Blasen seien die angesammelte Energie vieler Sterne, die in der Nähe des galaktischen Zentrums explodierten – eine Art Sternrückkopplung.
Wann Hsiang-Yi Karen Yang Als sie von der National Tsing Hua University in Taiwan das Bild der eROSITA-Röntgenblasen sah, „begann sie auf und ab zu hüpfen“. Für Yang war klar, dass die Röntgenstrahlen einen gemeinsamen Ursprung mit den Gammastrahlen haben könnten, wenn beide vom selben AGN-Jet erzeugt würden. (Die Röntgenstrahlen würden eher von geschocktem Gas in der Milchstraße als vom Jet selbst stammen.) Zusammen mit Co-Autoren Ellen Zweibel machen Mateusz Ruszkowski, machte sie sich daran, ein Computermodell zu bauen. Die Ergebnisse, veröffentlicht Naturastrophysik im vergangenen Frühjahr reproduzieren nicht nur die Form der beobachteten Blasen und einer hellen Schockfront, sondern sagen auch voraus, dass sie sich im Laufe von 2.6 Millionen Jahren gebildet haben (ausgehend von einem Jet, der 100,000 Jahre lang aktiv war) – viel zu schnell, um das zu sein erklärt durch hervorragendes Feedback.
Das Ergebnis legt nahe, dass die AGN-Rückkopplung in gewöhnlichen Scheibengalaxien wie der Milchstraße weitaus wichtiger sein könnte, als Forscher früher dachten. Das Bild, das sich abzeichnet, ähnelt dem eines Ökosystems, sagte Yang, in dem AGN und Sternrückkopplung mit dem diffusen, heißen Gas, das Galaxien umgibt, dem sogenannten zirkumgalaktischen Medium, verflochten sind. In verschiedenen Galaxientypen und zu unterschiedlichen Zeiten werden unterschiedliche Effekte und Strömungsmuster vorherrschen.
Eine Fallstudie zur Vergangenheit und Gegenwart der Milchstraße könnte das Zusammenspiel dieser Prozesse enthüllen. Das europäische Weltraumteleskop Gaia hat beispielsweise die genauen Positionen und Bewegungen von Millionen Sternen der Milchstraße kartiert und es Astrophysikern so ermöglicht, die Geschichte ihrer Verschmelzungen mit kleineren Galaxien zurückzuverfolgen. Es wurde angenommen, dass solche Verschmelzungsereignisse supermassereiche Schwarze Löcher aktivieren, indem sie Materie in sie hineinschütten, was dazu führt, dass sie plötzlich heller werden und sogar Jets abfeuern. „In diesem Bereich gibt es eine große Debatte darüber, ob Fusionen wichtig sind oder nicht“, sagte Quataert. Die Gaia-Sterndaten schlägt vor dass die Milchstraße zum Zeitpunkt der Bildung der Fermi- und eROSITA-Blasen keine Verschmelzung erlebte, was Verschmelzungen als Auslöser des AGN-Jets ungünstig macht.
Alternativ könnten Gasklumpen einfach zufällig mit dem Schwarzen Loch kollidieren und es aktivieren. Es könnte chaotisch zwischen Essen, Energieausstoß in Form von Jets und galaktischen Winden und Innehalten wechseln.
Das jüngste Bild des Event Horizon Telescope von Sagittarius A*, das den aktuellen Rinnsal einfallender Materie zeigt, stellt ein neues Rätsel dar, das es zu lösen gilt. Astrophysiker wussten bereits, dass nicht das gesamte Gas, das in eine Galaxie gesaugt wird, den Horizont des Schwarzen Lochs erreichen wird, da galaktische Winde gegen diesen Akkretionsstrom nach außen drücken. Aber die Windstärke, die man braucht, um eine solch extrem verjüngte Strömung zu erklären, ist unrealistisch. „Wenn ich Simulationen durchführe, sehe ich keinen großen Wind“, sagte Narayan. „Es ist nicht die Art von Wind, die man braucht, um vollständig zu erklären, was vor sich geht.“
Verschachtelte Simulationen
Ein Teil der Herausforderung beim Verständnis der Funktionsweise von Galaxien ist der große Unterschied zwischen den Längenskalen von Sternen und Schwarzen Löchern und den Maßstäben ganzer Galaxien und ihrer Umgebung. Bei der Simulation eines physikalischen Prozesses auf einem Computer wählen Forscher einen Maßstab aus und berücksichtigen relevante Effekte auf diesem Maßstab. Aber in Galaxien interagieren große und kleine Effekte.
„Das Schwarze Loch ist im Vergleich zur großen Galaxie wirklich winzig, und man kann sie nicht alle in einer einzigen riesigen Simulation zusammenfassen“, sagte Narayan. „Jedes Regime braucht Informationen vom anderen, weiß aber nicht, wie es den Zusammenhang herstellen soll.“
Um diese Lücke zu schließen, starten Narayan, Natarajan und Kollegen ein Projekt, das mithilfe verschachtelter Simulationen ein kohärentes Modell dafür erstellen wird, wie Gas durch die Milchstraße und die nahegelegene aktive Galaxie Messier 87 fließt. „Sie lassen zu, dass Informationen aus der Milchstraße kommen.“ „Die Galaxie sagt dem Schwarzen Loch, was sie tun soll, und dann lässt man zu, dass die Informationen vom Schwarzen Loch zurückgehen und der Galaxie sagen, was sie tun soll“, sagte Narayan. „Es ist eine Schleife, die sich immer wieder dreht.“
Die Simulationen sollen helfen, das Strömungsmuster des diffusen Gases in und um Galaxien aufzuklären. (Weitere Beobachtungen des zirkumgalaktischen Mediums durch das James Webb-Weltraumteleskop werden ebenfalls hilfreich sein.) „Das ist ein entscheidender Teil dieses gesamten Ökosystems“, sagte Quataert. „Wie bringt man das Gas in das Schwarze Loch, um die gesamte Energie wieder herauszutreiben?“
Entscheidend ist, dass im neuen Schema alle Eingaben und Ausgaben zwischen Simulationen unterschiedlicher Maßstäbe konsistent sein müssen, sodass weniger Stellschrauben gedreht werden müssen. „Wenn die Simulation richtig eingerichtet ist, wird sie selbstkonsistent entscheiden, wie viel Gas das Schwarze Loch erreichen soll“, sagte Narayan. „Wir können uns das ansehen und fragen: Warum hat es nicht das ganze Gas aufgefressen?“ Warum war es so umständlich und so wenig vom verfügbaren Benzin zu verbrauchen?“ Die Gruppe hofft, eine Reihe von Schnappschüssen der Galaxien in verschiedenen Phasen ihrer Entwicklung erstellen zu können.
Derzeit ist vieles über diese galaktischen Ökosysteme noch eine Ahnung. „Es ist wirklich eine neue Ära, in der die Menschen beginnen, über diese sich überschneidenden Szenarien nachzudenken“, sagte Yang. „Ich habe keine klare Antwort, aber ich hoffe, dass ich sie in ein paar Jahren bekommen werde.“
Anmerkung des Herausgebers: Priya Natarajan ist derzeit Mitglied des wissenschaftlichen Beirats von Quanta.
