Astronomen beobachten die Speisung und Rückkopplung supermassiver Schwarzer Löcher auf Subparsec-Skalen

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Takuma Izumi, einem Assistenzprofessor am Nationalen Astronomischen Observatorium Japans, hat einen Meilenstein erreicht, indem es den nahe gelegenen aktiven galaktischen Kern der Circinus-Galaxie mit einer extrem hohen Auflösung (ungefähr 1 Lichtjahr) beobachtet hat das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Diese Beobachtungsergebnisse mit dem Titel „Supermassive Black Hole Feeding and Feedback beobachtet auf Sub-Parsec-Maßstäben“ werden veröffentlicht In Wissenschaft.

Dies ist die weltweit erste quantitative Messung von Gasströmen und ihren Strukturen in der unmittelbaren Umgebung eines supermassiven Schwarzen Lochs in allen Gasphasen, einschließlich Plasma, Atom und Molekül, bis hin zur Größenordnung von einigen Lichtjahren. Dadurch hat das Team den Akkretionsfluss in Richtung des supermassereichen Schwarzen Lochs eindeutig erfasst und festgestellt, dass dieser Akkretionsfluss durch einen physikalischen Mechanismus erzeugt wird, der als „Gravitationsinstabilität“ bekannt ist.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass ein erheblicher Teil dieses Akkretionsflusses nicht für das Wachstum des Schwarzen Lochs genutzt wird. Stattdessen wird der Großteil des Gases in Form von atomaren oder molekularen Ausflüssen aus der Umgebung des Schwarzen Lochs ausgestoßen und kehrt zur Gasscheibe zurück, um erneut an einem Akkretionsfluss in Richtung des Schwarzen Lochs teilzunehmen: Dieser Gasrecyclingprozess ähnelt einer Wasserfontäne . Diese Erkenntnisse stellen einen entscheidenden Fortschritt auf dem Weg zu einem umfassenden Verständnis der Wachstumsmechanismen supermassiver Schwarzer Löcher dar.

In den Zentren vieler massereicher Galaxien gibt es „supermassereiche Schwarze Löcher“ mit einer Masse von mehr als einer Million Sonnenmassen. Wie entstehen diese supermassiven Schwarzen Löcher? Einer der entscheidenden Wachstumsmechanismen, die in früheren Forschungen vorgeschlagen wurden, ist die „Gasakkretion“ auf dem Schwarzen Loch. Dies bezieht sich auf den Prozess, bei dem Gas in der Muttergalaxie irgendwie in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs fällt.

Das Gas, das sich sehr nahe an supermassiven Schwarzen Löchern ansammelt, wird aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Durch die starke Reibung zwischen den Gasteilchen erhitzt sich dieses Gas auf Temperaturen von mehreren Millionen Grad und strahlt strahlendes Licht aus. Dieses Phänomen ist als aktiver galaktischer Kern (AGN) bekannt und seine Helligkeit kann zeitweise das kombinierte Licht aller Sterne in der Galaxie übertreffen. Interessanterweise geht man davon aus, dass ein Teil des Gases, das in Richtung des Schwarzen Lochs fällt (Akkretionsfluss), durch die immense Energie dieses aktiven galaktischen Kerns weggeblasen wird, was zu Ausflüssen führt.

Sowohl theoretische als auch Beobachtungsstudien haben detaillierte Einblicke in die Gasakkretionsmechanismen von der 100.000-Lichtjahr-Skala der Galaxien bis hin zu einer Skala von einigen hundert Lichtjahren im Zentrum geliefert. Allerdings blieb die Gasansammlung innerhalb einer viel kleineren Region, insbesondere innerhalb weniger Dutzend Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt, aufgrund ihrer äußerst begrenzten räumlichen Skala unklar.

Um beispielsweise das Wachstum von Schwarzen Löchern quantitativ zu verstehen, ist es notwendig, die Akkretionsströmungsrate (wie viel Gas einströmt) zu messen und die Mengen und Arten der ausgestoßenen Gase (Plasma, atomares Gas, molekulares Gas) zu bestimmen als Abflüsse in diesem kleinen Maßstab. Leider hat das Beobachtungsverständnis in dieser Hinsicht bisher keine wesentlichen Fortschritte gemacht.

In dieser Studie gelang es dem Forschungsteam zunächst erstmals, den Akkretionsfluss auf dem Weg zum supermassereichen Schwarzen Loch innerhalb der hochdichten Gasscheibe zu erfassen, die sich über mehrere Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt erstreckt. Die Identifizierung dieses Akkretionsflusses war aufgrund der geringen Größe der Region und der komplexen Gasbewegungen in der Nähe des galaktischen Zentrums lange Zeit eine schwierige Aufgabe.

In diesem Fall lokalisierte das Forscherteam jedoch den Ort, an dem das molekulare Gas im Vordergrund das Licht des hell leuchtenden aktiven Galaxienkerns im Hintergrund absorbierte. Möglich wurde diese Identifizierung durch hochauflösende Beobachtungen mit ALMA. Eine detaillierte Analyse ergab, dass sich dieses absorbierende Material in die Richtung von uns weg bewegt. Da sich das absorbierende Material immer zwischen dem aktiven galaktischen Kern und uns befindet, deutet dies darauf hin, dass das Team den Akkretionsfluss in Richtung des aktiven galaktischen Kerns erfolgreich erfasst hat.

Darüber hinaus hat das Forschungsteam auch den physikalischen Mechanismus aufgeklärt, der für die Auslösung dieser Gasansammlung verantwortlich ist. Die beobachtete Gasscheibe selbst übte eine so große Gravitationskraft aus, dass sie dem aus der Bewegung der Gasscheibe berechneten Druck nicht standhalten konnte.

Wenn diese Situation eintritt, kollabiert die Gasscheibe unter ihrem eigenen Gewicht, bildet komplexe Strukturen und ist nicht mehr in der Lage, eine stabile Bewegung im galaktischen Zentrum aufrechtzuerhalten. Dadurch sinkt das Gas schnell in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs. Jetzt hat ALMA dieses physikalische Phänomen, das als „Gravitationsinstabilität“ bekannt ist, im Herzen der Galaxie klar aufgedeckt.

Darüber hinaus hat diese Studie das quantitative Verständnis der Gasströme um den aktiven galaktischen Kern erheblich vorangetrieben. Aus der Dichte des beobachteten Gases und der Geschwindigkeit des Akkretionsstroms lässt sich die Akkretionsrate berechnen, mit der Gas dem Schwarzen Loch zugeführt wird. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass diese Geschwindigkeit 30-mal höher ist als das, was tatsächlich erforderlich ist, um die Aktivität dieses aktiven galaktischen Kerns aufrechtzuerhalten.

Mit anderen Worten: Der Großteil des Akkretionsflusses auf der 1-Lichtjahr-Skala um das galaktische Zentrum trug nicht zum Wachstum des Schwarzen Lochs bei. Wohin ging dieses überschüssige Gas? Dieses Rätsel wurde auch in dieser Studie gelüftet – hochempfindliche Beobachtungen aller Phasengase (molekulare, atomare und plasmatische Gase mittlerer Dichte; entsprechend den roten, blauen und rosa Bereichen im ersten Bild oben) mit ALMA-Erkennung von Ausflüssen aus dem aktiven Gas galaktischer Kern.

Durch quantitative Analysen wurde festgestellt, dass der Großteil des Gases, das in Richtung des Schwarzen Lochs strömte, als atomare oder molekulare Ausströme ausgestoßen wurde. Aufgrund ihrer geringen Geschwindigkeit konnten sie jedoch dem Gravitationspotential des Schwarzen Lochs nicht entkommen und kehrten schließlich in die Gasscheibe zurück. Dort wurden sie in einen Akkretionsstrom zum Schwarzen Loch zurückgeführt, der einer Fontäne ähnelte, und vollendeten so einen faszinierenden Gasrecyclingprozess im galaktischen Zentrum (zweites Bild).

Zu den Erfolgen dieser Studie sagt Izumi: „Die Entdeckung von Akkretionsflüssen und -ausflüssen in einer Region nur wenige Lichtjahre um das aktiv wachsende supermassereiche Schwarze Loch, insbesondere in einem mehrphasigen Gas, und sogar die Entschlüsselung des Akkretionsmechanismus selbst sind in der Tat monumental.“ Errungenschaften in der Geschichte der Erforschung supermassereicher Schwarzer Löcher.“

Mit Blick auf die Zukunft fährt er fort: „Um das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher in der kosmischen Geschichte umfassend zu verstehen, müssen wir verschiedene Arten supermassereicher Schwarzer Löcher untersuchen, die weiter von uns entfernt sind. Dies erfordert eine hohe Auflösung und hohe Empfindlichkeit.“ Beobachtungen, und wir haben hohe Erwartungen an die weitere Nutzung von ALMA sowie an die kommenden großen Radiointerferometer der nächsten Generation.“