Wie sich massereiche Galaxien und Schwarze Löcher gemeinsam entwickeln

3. August 2023

Evrim Yazgin hat einen Bachelor of Science mit Schwerpunkt Mathematische Physik und einen Master of Science in Physik, beide von der University of Melbourne.

Astronomen der Swinburne University of Technology in Melbourne haben einen neuen Blick auf die gemeinsame Entwicklung von Galaxien und ihren zentralen supermassereichen Schwarzen Löchern entwickelt.

Bisher gingen Forscher davon aus, dass die Masse zentraler Schwarzer Löcher in elliptisch geformten Galaxien – den größten Galaxien im Universum – linear mit der Größe der Galaxie zunimmt. Beispielsweise glaubte man, dass eine elliptische Galaxie mit der doppelten Sternmasse einer kleineren Galaxie auch ein zentrales Schwarzes Loch mit der doppelten Masse haben müsste.

Insgesamt wurde angenommen, dass supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren elliptischer Galaxien etwa 0,2 % der Gesamtmasse der Galaxie ausmachen.

Seit einem Vierteljahrhundert verwenden Computersimulationen, die beleuchten sollen, wie sich diese zentralen Schwarzen Löcher und elliptischen Galaxien gemeinsam entwickeln, dieses Modell.

Die neuen Beobachtungen der Swinburne-Forscher zeigten jedoch kein lineares Wachstum zentraler Schwarzer Löcher mit elliptischer Galaxiengröße, sondern ein „quadratisches“ Wachstum. Das bedeutet, dass eine elliptische Galaxie mit doppelt so viel Sternmaterie ein zentrales Schwarzes Loch haben wirdvier mal größer. Eine Galaxie mit zehnmal größerer Sternmasse wird eine 100-fache Vergrößerung des supermassiven Schwarzen Lochs erleben.

Die Ergebnisse werden in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht.

„Die Schwarzen Löcher sind von ihrer Leine befreit“, sagt Autor Professor Alister Graham.

Die vier größten Galaxien im bekannten Universum sind elliptisch. Der größte, IC 1101, befindet sich eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. IC 1101 ist die Heimat von 100 Billionen Sternen und hat einen Radius von etwa 2 Millionen Lichtjahren (im Vergleich zur Milchstraße, die einen Radius von nur 53.000 Lichtjahren hat). Das heißt, wenn sich IC 1101 dort befände, wo sich die Milchstraße befindet, würde es unsere nächste große Nachbargalaxie Andromeda verschlingen.

Da elliptische Galaxien so groß sein können, sind auch ihre zentralen Schwarzen Löcher massereich.

Dies ist in der nahegelegenen elliptischen Galaxie Messier 87 (M87) zu sehen. Im Jahr 2019 war das zentrale Schwarze Loch von M87 das erste Schwarze Loch, das direkt abgebildet wurde; es ist etwa 500 Millionen Mal so groß wie die Masse unserer Sonne. Die zentralen Schwarzen Löcher in elliptischen Galaxien sind regelmäßig milliardenfach größer als die Sonne.

Graham entdeckte quadratisches Wachstum zwischen supermassiven Schwarzen Löchern in dem elliptischen Schwarm von Sternen, die die Zentren von Spiralgalaxien (wie der Milchstraße) bilden. Es wurde jedoch angenommen, dass quadratisches Wachstum kein Merkmal zentraler Schwarzer Löcher elliptischer Galaxien sei.

Die Astronomen fanden diese quadratische Beziehung zwischen der Größe elliptischer Galaxien und der Größe des zentralen Schwarzen Lochs, indem sie 100 Galaxien analysierten, die vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA im Infrarotwellenlängenbereich abgebildet wurden. Die Entdeckung verändert unser Verständnis darüber, wie sich Galaxien und Schwarze Löcher gemeinsam entwickeln.

Viele der Galaxien, von denen früher angenommen wurde, dass sie rein elliptisch sind, besitzen tatsächlich eine riesige Sternscheibe. Die quadratische Massenskalierung wurde bei der Berücksichtigung dieser Scheiben deutlich. Die Forschung legt zwei Arten von Galaxien nahe: elliptische und „spirallose“ Scheibengalaxien.

Die Forscher glauben, dass kollidierende Galaxien Sterne auf chaotische Umlaufbahnen werfen, die über und unter den sauberen Kreisbahnen liegen, die man bei Spiralgalaxien sieht. Dadurch entsteht eine „Ausbeulung“. Diese werden sich zunächst zu Galaxien mit markanten Ausbuchtungen und einer staubigen, spirallosen Scheibe entwickeln. Nach einiger Zeit dominiert der Bulge und es entsteht eine rein elliptische Galaxie.

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Ursprünglich veröffentlicht von Cosmos als Wie sich massive Galaxien und Schwarze Löcher gemeinsam entwickeln