In einer überraschenden Entdeckung haben Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA herausgefunden, dass der lötlampenartige Strahl eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Kern einer riesigen Galaxie offenbar dazu führt, dass auf seiner Flugbahn Sterne ausbrechen. Die Sterne, Novae genannt, sind nicht im Inneren des Jets gefangen, sondern befinden sich offenbar in einer gefährlichen Umgebung in der Nähe.
Die Forschung ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.
Der Befund verwirrt Forscher, die nach einer Erklärung suchen. „Wir wissen nicht, was los ist, aber es ist einfach eine sehr aufregende Entdeckung“, sagte Hauptautor Alec Lessing von der Stanford University. „Das bedeutet, dass etwas in unserem Verständnis darüber fehlt, wie Jets von Schwarzen Löchern mit ihrer Umgebung interagieren.“
In einem Doppelsternsystem bricht eine Nova aus, bei der ein alternder, aufgequollener, normaler Stern Wasserstoff auf einen ausgebrannten Begleitstern eines Weißen Zwergs ausschüttet. Wenn der Zwerg eine kilometertiefe Wasserstoffschicht an der Oberfläche aufgetankt hat, explodiert diese Schicht wie eine riesige Atombombe. Der Weiße Zwerg wird durch den Nova-Ausbruch nicht zerstört, der seine Oberflächenschicht abstößt und dann wieder Treibstoff von seinem Begleiter absaugt, und der Nova-Ausbruchszyklus beginnt von vorne.
Hubble fand im untersuchten Zeitraum doppelt so viele Novae, die in der Nähe des Jets ausgingen wie anderswo in der Riesengalaxie. Der Jet wird von einem zentralen Schwarzen Loch mit einer Sonnenmasse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen abgefeuert, das von einer Scheibe aus wirbelnder Materie umgeben ist.
Das mit einfallender Materie gefüllte Schwarze Loch stößt einen 3000 Lichtjahre langen Plasmastrahl aus, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum schießt. Alles, was im Energiestrahl gefangen ist, würde verbrennen. Den neuen Hubble-Erkenntnissen zufolge ist es aber offenbar auch riskant, sich in der Nähe seines glühenden Ausflusses aufzuhalten.
Darstellung des Standorts der Beobachtungen von Novae – explodierenden Sternen – mit dem Hubble-Weltraumteleskop in der riesigen elliptischen Galaxie M87. Das bemerkenswerteste Merkmal der Galaxie ist ein 3.000 Lichtjahre langer Plasmastrahl, der aus einem supermassereichen zentralen Schwarzen Loch ausgestoßen wird. Hubble-Beobachtungen identifizierten zahlreiche Novae in der Nähe des Jets. Diese sind durch rote Kreise gekennzeichnet, die weiß werden, wenn eine Nova explodiert. Sterne scheinen in der Nähe des Jets häufiger zu explodieren. Möglicherweise treibt der Jet interstellaren Wasserstoff in Richtung benachbarter Sterne und verstärkt so den Treibstoffprozess der Sterne, der die Explosionsrate erhöht. Wenn die gesamte Galaxie photometrisch untersucht wird, erscheinen in größerer Entfernung vom Jet weniger Novae. NASA, ESA, Joseph DePasquale (STScI)
Der Fund von doppelt so vielen Novae in der Nähe des Jets bedeutet, dass es in der Nähe des Jets doppelt so viele novabildende Doppelsternsysteme gibt oder dass diese Systeme doppelt so häufig ausbrechen wie ähnliche Systeme anderswo in der Galaxie.
„Es gibt etwas, was der Jet mit den Sternensystemen macht, die in die umliegende Nachbarschaft wandern. Vielleicht spritzt der Jet irgendwie Wasserstofftreibstoff auf die Weißen Zwerge, was dazu führt, dass sie häufiger ausbrechen“, sagte Lessing.
„Aber es ist nicht klar, dass es sich um einen physikalischen Druck handelt. Es könnte die Wirkung des Drucks des Lichts sein, das vom Strahl ausgeht. Wenn man Wasserstoff schneller liefert, kommt es zu schnelleren Ausbrüchen. Etwas könnte die Stoffübertragungsrate auf die Weißen Zwerge verdoppeln.“ in der Nähe des Jets.
Eine weitere Idee, die die Forscher in Betracht gezogen haben, ist, dass der Jet den Begleitstern des Zwergs erhitzt, wodurch dieser weiter überläuft und mehr Wasserstoff auf den Zwerg abgibt. Die Forscher errechneten jedoch, dass diese Erwärmung bei weitem nicht groß genug ist, um diesen Effekt zu erzielen.
„Wir sind nicht die ersten, die gesagt haben, dass rund um den M87-Jet offenbar mehr Aktivität herrscht“, sagte Co-Ermittler Michael Shara vom American Museum of Natural History in New York City. „Aber Hubble hat diese verstärkte Aktivität mit weit mehr Beispielen und statistischer Signifikanz gezeigt, als wir jemals zuvor hatten.“
Kurz nach dem Start von Hubble im Jahr 1990 nutzten Astronomen die Faint Object Camera (FOC) der ersten Generation, um in das Zentrum von M87 zu blicken, wo das riesige Schwarze Loch lauert. Sie stellten fest, dass rund um das Schwarze Loch ungewöhnliche Dinge passierten.
Fast jedes Mal, wenn Hubble hinschaute, sahen Astronomen bläuliche „vorübergehende Ereignisse“, die ein Beweis dafür sein könnten, dass Novae wie Kamerablitze von nahegelegenen Paparazzi aufplatzten. Aber die Sicht des FOC war so eng, dass Hubble-Astronomen den Blick nicht vom Jet abwenden konnten, um einen Vergleich mit der Jet-nahen Region durchzuführen. Über zwei Jahrzehnte hinweg blieben die Ergebnisse auf mysteriöse Weise verlockend.
Überzeugende Beweise für den Einfluss des Jets auf die Sterne der Muttergalaxie wurden über einen Zeitraum von neun Monaten gesammelt, als Hubble mit neueren Kameras mit größerem Sichtfeld beobachtete, um die ausbrechenden Novae zu zählen. Dies stellte eine Herausforderung für den Beobachtungsplan des Teleskops dar, da M87 genau alle fünf Tage erneut besucht werden musste, um einen weiteren Schnappschuss zu machen. Die Addition aller M87-Bilder ergab die tiefsten Bilder von M87, die jemals aufgenommen wurden.
Hubble hat in dem Drittel von M87, das seine Kamera erfassen kann, 94 Novae gefunden. „Der Jet war nicht das Einzige, was wir betrachteten – wir betrachteten die gesamte innere Galaxie. Nachdem man alle bekannten Novae auf M87 eingezeichnet hatte, brauchte man keine Statistiken, um sich davon zu überzeugen, dass es entlang der Galaxie einen Überschuss an Novae gibt.“ „Das ist keine Raketenwissenschaft.“
„Wir sind Zeugen eines faszinierenden, aber rätselhaften Phänomens“, kommentierte Chiara Circosta, eine ESA-Forschungsstipendiatin, die die Auswirkungen untersucht, die die Ansammlung supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Galaxien hat, die sie im fernen Universum beherbergen.
„Diese Entdeckung hat mich sehr überrascht. Solche detaillierten Beobachtungen nahegelegener Galaxien sind wertvoll, um unser Verständnis darüber zu erweitern, wie Jets mit ihren Wirtsgalaxien interagieren und möglicherweise die Sternentstehung beeinflussen.“
Diese Leistung ist ausschließlich den einzigartigen Fähigkeiten von Hubble zu verdanken. Bodengestützte Teleskopbilder sind nicht so klar, dass Novae tief im Inneren von M87 zu sehen sind. Sterne oder Sterneruptionen in der Nähe des Galaxienkerns können sie nicht auflösen, da die Umgebung des Schwarzen Lochs viel zu hell ist. Nur Hubble kann Novae vor dem hellen M87-Hintergrund erkennen.
Novae kommen im Universum bemerkenswert häufig vor. Jeden Tag bricht irgendwo in M87 eine Nova aus. Aber da es im gesamten sichtbaren Universum mindestens 100 Milliarden Galaxien gibt, brechen irgendwo da draußen jede Sekunde etwa eine Million Novae aus.
Weitere Informationen:
Alec M. Lessing et al., Eine 9-monatige Nah-UV-Durchmusterung von M87 mit dem Hubble-Weltraumteleskop. II. Eine stark erhöhte Nova-Rate in der Nähe des Jets von M87, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.16856