Weltraumstudien bieten das bisher klarste Verständnis des Lebenszyklus von supermassereichen Schwarzen Löchern

Laut einer von Dartmouth-Forschern geleiteten Studie befinden sich Schwarze Löcher mit unterschiedlichen Lichtsignaturen, von denen angenommen wurde, dass sie dieselben Objekte sind, wenn sie aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden, tatsächlich in unterschiedlichen Stadien des Lebenszyklus.

Die Forschung zu Schwarzen Löchern, die als „aktive galaktische Kerne“ oder AGNs bekannt sind, sagt, dass sie definitiv die Notwendigkeit zeigt, das weit verbreitete „einheitliche Modell von AGN“ zu überarbeiten, das supermassereiche Schwarze Löcher als alle mit denselben Eigenschaften charakterisiert.

Die Studie, erschienen in Die Astrophysical Journal Supplement Seriesliefert Antworten auf ein quälendes Weltraumrätsel und sollte es Forschern ermöglichen, genauere Modelle über die Entwicklung des Universums und die Entwicklung schwarzer Löcher zu erstellen.

„Diese Objekte haben Forscher über ein halbes Jahrhundert lang verwirrt“, sagte Tonima Tasnim Ananna, Postdoktorandin in Dartmouth und Hauptautorin der Veröffentlichung. „Im Laufe der Zeit haben wir viele Annahmen über die Physik dieser Objekte getroffen. Jetzt wissen wir, dass sich die Eigenschaften von verdeckten Schwarzen Löchern erheblich von den Eigenschaften von AGNs unterscheiden, die nicht so stark verborgen sind.“

Es wird angenommen, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum fast aller großen Galaxien befinden, einschließlich der Milchstraße. Die Objekte verschlingen galaktisches Gas, Staub und Sterne und können schwerer werden als kleine Galaxien.

Seit Jahrzehnten interessieren sich Forscher für die Lichtsignaturen aktiver galaktischer Kerne, einer Art von supermassereichen Schwarzen Löchern, die „akkretieren“ oder sich in einem schnellen Wachstumsstadium befinden.

Ab den späten 1980er Jahren erkannten Astronomen, dass Lichtsignaturen aus dem Weltraum, die von Radiowellenlängen bis zu Röntgenstrahlen reichen, AGNs zugeordnet werden können. Es wurde angenommen, dass die Objekte normalerweise einen donutförmigen Ring – oder „Torus“ – aus Gas und Staub um sich herum hatten. Es wurde angenommen, dass die mit den Objekten verbundene unterschiedliche Helligkeit und Farbe das Ergebnis des Winkels war, aus dem sie beobachtet wurden, und wie viel des Torus die Sicht verdeckte.

Daraus wurde die einheitliche Theorie der AGNs zum vorherrschenden Verständnis. Die Theorie besagt, dass ein Schwarzes Loch, wenn es durch seinen Torus betrachtet wird, schwach erscheinen sollte. Wenn es von unterhalb oder oberhalb des Rings betrachtet wird, sollte es hell erscheinen. Laut der aktuellen Studie stützte sich die bisherige Forschung jedoch zu stark auf Daten von weniger verdeckten Objekten und verzerrte Forschungsergebnisse.

Die neue Studie konzentriert sich darauf, wie schnell sich Schwarze Löcher von Weltraummaterie ernähren, oder auf ihre Akkretionsraten. Die Forschung ergab, dass die Akkretionsrate nicht von der Masse eines Schwarzen Lochs abhängt, sie variiert erheblich, je nachdem, wie es durch den Gas- und Staubring verdeckt ist.

„Dies unterstützt die Idee, dass die Torusstrukturen um Schwarze Löcher nicht alle gleich sind“, sagte Ryan Hickox, Professor für Physik und Astronomie und Mitautor der Studie. „Es gibt eine Beziehung zwischen der Struktur und ihrem Wachstum.“

Das Ergebnis zeigt, dass die Menge an Staub und Gas, die ein AGN umgibt, in direktem Zusammenhang damit steht, wie viel es füttert, was bestätigt, dass es über die Orientierung hinaus Unterschiede zwischen verschiedenen AGN-Populationen gibt. Wenn ein Schwarzes Loch mit hoher Geschwindigkeit akkretiert, bläst die Energie Staub und Gas weg. Dadurch ist es wahrscheinlicher, dass es nicht verdeckt ist und heller erscheint. Umgekehrt ist ein weniger aktives AGN von einem dichteren Torus umgeben und erscheint schwächer.

„In der Vergangenheit war es ungewiss, wie sich die verdeckte AGN-Population von ihren leichter beobachtbaren, nicht verdeckten Gegenstücken unterscheidet“, sagte Ananna. „Diese neue Forschung zeigt definitiv einen grundlegenden Unterschied zwischen den beiden Populationen, der über den Betrachtungswinkel hinausgeht.“

Die Studie stammt aus einer jahrzehntelangen Analyse von AGNs in der Nähe, die von Swift-BAT, einem Hochenergie-Röntgenteleskop der NASA, entdeckt wurden. Das Teleskop ermöglicht es Forschern, das lokale Universum zu scannen, um verdeckte und nicht verdeckte AGNs zu entdecken.

Die Forschung ist das Ergebnis einer internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit – der BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS) – die über ein Jahrzehnt daran gearbeitet hat, von Swift BAT beobachtete optische/infrarote Spektroskopie für AGN zu sammeln und zu analysieren.

„Wir hatten noch nie zuvor eine so große Probe von durch Röntgenstrahlen nachgewiesenem verdecktem lokalem AGN“, sagte Ananna. „Das ist ein großer Gewinn für Hochenergie-Röntgenteleskope.“

Das Papier baut auf früheren Forschungsergebnissen des Forschungsteams auf, das AGNs analysiert. Für die Studie entwickelte Ananna eine Computertechnik, um die Wirkung der Verdunkelung von Materie auf die beobachteten Eigenschaften von Schwarzen Löchern zu bewerten, und analysierte Daten, die vom breiteren Forschungsteam mit dieser Technik gesammelt wurden.

Dem Papier zufolge können Forscher, wenn sie die Masse eines Schwarzen Lochs kennen und wissen, wie schnell es sich ernährt, bestimmen, wann die meisten supermassereichen Schwarzen Löcher den größten Teil ihres Wachstums durchlaufen haben, und so wertvolle Informationen über die Entwicklung von Schwarzen Löchern und des Universums liefern.

„Eine der größten Fragen auf unserem Gebiet ist, woher supermassereiche Schwarze Löcher kommen“, sagte Hickox. „Diese Forschung liefert ein kritisches Stück, das uns helfen kann, diese Frage zu beantworten, und ich gehe davon aus, dass es zu einer Prüfstein-Referenz für diese Forschungsdisziplin wird.“

Zukünftige Forschungen könnten sich auf Wellenlängen konzentrieren, die es dem Team ermöglichen, über das lokale Universum hinaus zu suchen. Kurzfristig möchte das Team verstehen, was AGNs dazu veranlasst, in den Modus mit hoher Akkretion zu wechseln, und wie lange es dauert, bis schnell anwachsende AGNs von stark verdeckt zu unverdeckt übergehen.