Kombinierte Röntgenuntersuchungen und Supercomputersimulationen verfolgen 12 Milliarden Jahre Wachstum kosmischer Schwarzer Löcher

Durch die Kombination modernster Röntgenbeobachtungen mit hochmodernen Supercomputersimulationen der Galaxienbildung im Laufe der kosmischen Geschichte haben Forscher die bislang beste Modellierung des Wachstums der supermassiven Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien erstellt. Mithilfe dieses hybriden Ansatzes hat ein von Astronomen der Penn State geleitetes Forschungsteam ein vollständiges Bild des Wachstums Schwarzer Löcher über 12 Milliarden Jahre hinweg erstellt, von der Kindheit des Universums mit etwa 1,8 Milliarden Jahren bis heute mit 13,8 Milliarden Jahren.

Zwei Artikel umfassen die Forschung, eine veröffentlichte In Das Astrophysikalische Journalund eine noch unveröffentlichte Studie, die bei derselben Zeitschrift eingereicht wird. Die Ergebnisse werden auf der 244. Treffen der American Astronomical Societyfindet vom 9. bis 13. Juni im Monona Terrace Convention Center in Madison, Wisconsin statt.

„Supermassive Schwarze Löcher in Galaxienzentren haben Millionen- bis Milliardenfache Sonnenmassen“, sagte Fan Zou, Doktorand an der Pennsylvania State University und Erstautor der Studie. „Wie werden sie zu solchen Monstern? Diese Frage untersuchen Astronomen seit Jahrzehnten, aber es war schwierig, alle Wege nachzuverfolgen, auf denen Schwarze Löcher zuverlässig wachsen können.“

Supermassive Schwarze Löcher wachsen durch eine Kombination aus zwei Hauptkanälen. Sie verbrauchen kaltes Gas aus ihrer Wirtsgalaxie – ein Prozess, der Akkretion genannt wird – und sie können mit anderen supermassiven Schwarzen Löchern verschmelzen, wenn Galaxien kollidieren.

„Während sie Gas aus ihren Galaxien verbrauchen, strahlen Schwarze Löcher starke Röntgenstrahlen ab, und dies ist der Schlüssel zur Verfolgung ihres Wachstums durch Akkretion“, sagte W. Niel Brandt, Eberly Family Chair Professor für Astronomie und Astrophysik und Professor für Physik an der Penn State und Leiter des Forschungsteams. „Wir haben das akkretionsbedingte Wachstum anhand von Daten aus Röntgenhimmelsdurchmusterungen gemessen, die über mehr als 20 Jahre von drei der leistungsstärksten Röntgenanlagen gesammelt wurden, die jemals ins All geschickt wurden.“

Das Forschungsteam nutzte ergänzende Daten vom Chandra X-ray Observatory der NASA, der X-ray Multi-Mirror Mission-Newton (XMM-Newton) der Europäischen Weltraumorganisation und dem eROSITA-Teleskop des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik. Insgesamt maßen sie das akkretionsbedingte Wachstum in einer Stichprobe von 1,3 Millionen Galaxien, die über 8.000 schnell wachsende Schwarze Löcher enthielten.

„Alle Galaxien und Schwarzen Löcher in unserer Stichprobe sind bei mehreren Wellenlängen sehr gut charakterisiert, mit hervorragenden Messungen im Infrarot-, optischen, Ultraviolett- und Röntgenbereich“, sagte Zou. „Dies ermöglicht robuste Schlussfolgerungen, und die Daten zeigen, dass in allen kosmischen Epochen massereichere Galaxien ihre Schwarzen Löcher durch Akkretion schneller wachsen ließen. Mit der Qualität der Daten konnten wir dieses wichtige Phänomen viel besser quantifizieren als in früheren Arbeiten.“

Die zweite Art, wie supermassive Schwarze Löcher wachsen, ist durch Verschmelzungen, bei denen zwei supermassive Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen, um ein einzelnes, noch massereicheres Schwarzes Loch zu bilden. Um das Wachstum durch Verschmelzungen zu verfolgen, verwendete das Team IllustrisTNG, eine Reihe von Supercomputersimulationen, die die Entstehung, Entwicklung und Verschmelzung von Galaxien von kurz nach dem Urknall bis heute modellieren.

„Bei unserem hybriden Ansatz kombinieren wir das beobachtete Wachstum durch Akkretion mit dem simulierten Wachstum durch Verschmelzungen, um die Wachstumsgeschichte supermassiver Schwarzer Löcher zu reproduzieren“, sagte Brandt. „Wir glauben, dass wir mit diesem neuen Ansatz das realistischste Bild des Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher bis zum heutigen Tag erstellt haben.“

Die Forscher fanden heraus, dass Akkretion in den meisten Fällen das Wachstum von Schwarzen Löchern dominierte. Fusionen leisteten bemerkenswerte sekundäre Beiträge, insbesondere während der letzten 5 Milliarden Jahre kosmischer Zeit bei den massereichsten Schwarzen Löchern. Insgesamt wuchsen supermassereiche Schwarze Löcher aller Massen viel schneller, als das Universum jünger war. Aus diesem Grund war die Gesamtzahl supermassereicher Schwarzer Löcher vor 7 Milliarden Jahren fast konstant, während in früheren Phasen des Universums immer wieder viele neue entstanden.

„Mit unserem Ansatz können wir verfolgen, wie zentrale Schwarze Löcher im lokalen Universum höchstwahrscheinlich im Laufe der kosmischen Zeit gewachsen sind“, sagte Zou. „Als Beispiel haben wir das Wachstum des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße betrachtet, das eine Masse von 4 Millionen Sonnenmassen hat. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Schwarze Loch unserer Galaxie höchstwahrscheinlich relativ spät in der kosmischen Zeit gewachsen ist.“

Zum Forschungsteam gehören außer Zou und Brandt Zhibo Yu, Doktorand an der Penn State; Hyungsuk Tak, Assistenzprofessor für Statistik und Astronomie und Astrophysik an der Penn State; Elena Gallo von der University of Michigan; Bin Luo von der Nanjing University in China; Qingling Ni vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland; Yongquan Xue von der University of Science and Technology of China; und Guang Yang von der Universität Groningen in den Niederlanden.