Supermassive Schwarze Löcher können die Sternentstehung in einer großen Galaxie ein- und ausschalten

In den 1970er Jahren entdeckten Astronomen, dass im Zentrum unserer Galaxie ein besonders großes Schwarzes Loch (Schütze A *) existierte. Mit der Zeit wurde ihnen klar, dass ähnliche supermassive Black Holes (SMBHs) im Zentrum der massereichsten Galaxien existieren. Das Vorhandensein dieser Schwarzen Löcher war auch das, was Galaxien unterschied, die besonders leuchtende Kerne hatten – auch bekannt als. Aktive galaktische Kerne (AGN) – von denen, die dies nicht taten.

Seit dieser Zeit haben Astronomen und Kosmologen darüber nachgedacht, welche Rolle SMBHs für die galaktische Evolution spielen, und einige wagen, dass sie einen tiefgreifenden Einfluss auf die Sternentstehung haben. Und dank einer kürzlich von einem internationalen Team von Astronomen durchgeführten Studie gibt es jetzt direkte Hinweise auf eine Korrelation zwischen und SMBH und der Sternentstehung einer Galaxie. Tatsächlich zeigte das Team, dass die Masse eines Schwarzen Lochs bestimmen kann, wann die Sternentstehung in einer Galaxie enden wird.

Die Studie mit dem Titel „Schwarzloch-regulierte Sternentstehung in massiven Galaxien“ wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur. Unter der Leitung von Ignacio Martín-Navarro, Marie-Curie-Stipendiat an den Observatorien der Universität von Kalifornien, bestand das Studienteam auch aus Mitgliedern des Max-Planck-Instituts für Astronomie und des Instituto de Astrofísica de Canarias.

Für ihre Studie stützte sich das Team auf Daten, die 2015 beim Massive Galaxy Survey des Hobby-Eberle-Teleskops erhoben wurden. Bei dieser systematischen Umfrage wurde das 10-Meter-Hobby-Eberly-Teleskop (HET) am McDonald Observatory verwendet, um eine optische spektroskopische Langspaltuntersuchung durchzuführen von über 1000 Galaxien. Diese Untersuchung lieferte nicht nur Spektren für diese Galaxien, sondern lieferte auch direkte Massenmessungen der zentralen Schwarzen Löcher für 74 dieser Galaxien.

Mit diesen Daten fanden Martín-Navarro und seine Kollegen die ersten Beobachtungsergebnisse für eine direkte Korrelation zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs einer Galaxie und ihrer Geschichte der Sternentstehung. Während Astrophysiker seit Jahrzehnten unter dieser Annahme operieren, fehlte der Beweis bisher. Wie Jean Brodie, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz und Mitautor des Papiers, in einer Pressemitteilung der UCSC sagte:

„Wir haben das Feedback eingegeben, damit die Simulationen funktionieren, ohne wirklich zu wissen, wie es passiert. Dies ist der erste direkte Beobachtungsnachweis, bei dem wir die Auswirkungen des Schwarzen Lochs auf die Sternentstehungsgeschichte der Galaxie sehen können. “

Vor ungefähr 15 Jahren wurde die Korrelation zwischen der Masse einer SMBH und der Gesamtmasse der Sterne einer Galaxie entdeckt, was in astrophysikalischen Kreisen zu einer großen ungelösten Frage führte. Während diese Korrelation ein zentrales Merkmal von Galaxien zu sein schien, war unklar, was sie verursacht haben könnte. Wie könnte die Masse eines vergleichsweise kleinen und zentralen Schwarzen Lochs mit der Masse von Milliarden von Sternen in Beziehung gesetzt werden, die in einer Galaxie verteilt sind?

Eine mögliche Erklärung war, dass massereichere Galaxien größere Mengen an Gas sammelten, was zu mehr Sternen und einem massereicheren zentralen Schwarzen Loch führte. Astrophysiker glaubten jedoch auch, dass es sich um einen Rückkopplungsmechanismus handelt, bei dem wachsende Schwarze Löcher die Bildung von Sternen in ihrer Nähe hemmen. Kurz gesagt, wenn sich Materie auf einem zentralen Schwarzen Loch ansammelt, sendet sie eine enorme Energiemenge in Form von Strahlung und Teilchenstrahlen aus.

Wenn diese Energie auf Gas und Staub übertragen wird, die den Kern der Galaxie umgeben, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich in dieser Region Sterne bilden, da Gas und Staub kalt sein müssen, um Kollapsbereiche zu erleiden. Seit Jahren werden solche Rückkopplungen in kosmologische Simulationen einbezogen, um die beobachteten Sternentstehungsraten in Galaxien zu erklären. Nach denselben Simulationen würden Galaxien ohne diesen Mechanismus weit mehr Sterne bilden, als beobachtet wurden.

Bisher waren jedoch keine direkten Beweise für dieses Phänomen verfügbar. Der erste Schritt, um einige zu erhalten, bestand darin, die Sternentstehungsgeschichte der 74 für die Studie verwendeten Zielgalaxien zu reproduzieren. Martín-Navarro und seine Kollegen unternahmen dazu Spektren, die von jeder dieser Galaxien erhalten wurden, Rechentechniken, die nach der besten Kombination von Sternpopulationen suchten, um die Daten anzupassen.

Auf diese Weise konnte das Team die Geschichte der Sternentstehung in den Zielgalaxien der letzten 12,5 Milliarden Jahre rekonstruieren. Nachdem sie diese Geschichten untersucht hatten, stellten sie einige vorhersehbare Ergebnisse fest, aber auch einige ziemlich signifikante Unterschiede. Wie vorhergesagt, zeigten die Regionen um die zentralen Schwarzen Löcher der Galaxien einen deutlichen dämpfenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Sternentstehung.

Wie vorhergesagt, gab es auch eine klare Korrelation zwischen der Masse der zentralen Schwarzen Löcher und der Sternmasse in diesen Galaxien. Das Team stellte jedoch auch fest, dass in Fällen, in denen die Sternmasse etwas kleiner als erwartet war (bezogen auf die Masse ihrer zentralen Schwarzen Löcher), die Sternentstehungsraten niedriger waren. In einigen anderen Fällen hatten Galaxien größere Sternmassen als erwartet (wiederum relativ zu ihren Schwarzen Löchern) und ihre Sternentstehungsraten waren höher.

Diese Korrelation war nicht nur konsistenter als die zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Sternmasse beobachtete, sondern trat auch unabhängig von anderen Faktoren (wie Form oder Dichte) auf. Wie Martín-Navaro erklärte:

„Bei Galaxien mit der gleichen Masse an Sternen, aber unterschiedlicher Masse an Schwarzen Löchern im Zentrum wurden Galaxien mit größeren Schwarzen Löchern früher und schneller gelöscht als Galaxien mit kleineren Schwarzen Löchern. Daher dauerte die Sternentstehung in diesen Galaxien mit kleineren zentralen Schwarzen Löchern länger. “

Sie stellten auch fest, dass sich diese Korrelation bis in die tiefe Vergangenheit erstreckt, wo die Galaxien mit supermassiven zentralen Schwarzen Löchern in den letzten 12,5 Milliarden Jahren konstant eine vergleichsweise niedrige Sternrate produzieren. Dies ist der erste starke Beweis für einen direkten, langfristigen Zusammenhang zwischen der Sternentstehung und der Existenz eines zentralen Schwarzen Lochs in einer Galaxie.

Eine weitere interessante Erkenntnis aus der Studie war die Art und Weise, wie mögliche Korrelationen zwischen AGN-Leuchtkraft und Sternentstehung untersucht wurden. In der Vergangenheit haben andere Forscher versucht, Hinweise auf eine Verbindung zwischen beiden zu finden, jedoch ohne Erfolg. Laut Martín-Navarro und seinem Team kann dies daran liegen, dass die Zeitskalen unglaublich unterschiedlich sind. Während die Sternentstehung im Laufe der Äonen erfolgt, treten Ausbrüche von AGNs in kürzeren Intervallen auf.

Darüber hinaus sind AGNs sehr variabel und ihre Eigenschaften hängen von einer Reihe von Faktoren ab, die sich auf ihre Schwarzen Löcher beziehen – d. H. Größe, Masse, Akkretionsrate usw. Wir haben die Masse der Schwarzen Löcher als Proxy für die Energie verwendet, die vom AGN in die Galaxie eingebracht wird, da die Akkretion auf massereicheren Schwarzen Löchern zu einer energetischeren Rückkopplung von aktiven galaktischen Kernen führt, die die Sternentstehung schneller löschen würde “, sagte Martin-Navarro.

Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, weitere Forschungen durchführen und genau bestimmen zu können, wie zentrale Schwarze Löcher die Sternentstehung hemmen. Gegenwärtig ist die Möglichkeit, dass es sich um Strahlung oder Gasstrahlen handelt, die die umgebende Materie aufheizen, nicht endgültig. Aaron Romanowsky, Astronom an der San Jose State University und den UC Observatories, erklärte:

"Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Schwarzes Loch Energie in die Galaxie abgeben kann, und Theoretiker haben alle möglichen Ideen, wie das Löschen geschieht, aber es gibt noch mehr zu tun, um diese neuen Beobachtungen in die Modelle zu integrieren."

Ein Teil der Bestimmung, wie das Universum entstanden ist, besteht darin, zu wissen, welche Mechanismen im Spiel waren und in welchem ​​Umfang sie eine Rolle spielten. Mit dieser neuesten Studie können Astrophysiker und Kosmologen das Wissen trösten, dass sie es richtig gemacht haben – zumindest in diesem Fall!

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