Einer neuen Studie zufolge können Galaxien einem frühen Tod entgehen, weil sie über ein „Herz und Lungen“ verfügen, die ihre „Atmung“ wirksam regulieren und verhindern, dass sie außer Kontrolle geraten.
Täten sie das nicht, wäre das Universum viel schneller gealtert und wir würden heute nur noch riesige „Zombie“-Galaxien voller toter und sterbender Sterne sehen.
Das ist laut einer neue Studie veröffentlicht im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Societydas einem der großen Rätsel des Universums nachgeht – warum Galaxien nicht so groß sind, wie Astronomen erwarten würden.
Etwas scheint ihr enormes Potenzial zu ersticken, indem es die Gasmenge begrenzt, die sie für die Umwandlung in Sterne aufnehmen. Das bedeutet, dass statt endlos zu wachsen, etwas in ihrem Inneren der vermeintlich unvermeidlichen Anziehungskraft der Schwerkraft widersteht.
Astrophysiker der University of Kent glauben nun, das Geheimnis gelüftet zu haben. Sie vermuten, dass Galaxien tatsächlich ihre Wachstumsgeschwindigkeit durch ihre „Atmung“ steuern könnten.
In ihrer Analogie verglichen die Forscher das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie mit deren Herz und die beiden bipolaren Überschall-Jets aus Gas und Strahlung, die sie in die Atemwege ausstoßen, die ein Lungenpaar versorgen.
Impulse aus dem Schwarzen Loch – oder „Herzen“ – können zu Strahlstoßfronten führen, die entlang der beiden Strahlachsen hin und her schwingen, ähnlich wie sich das Zwerchfell im menschlichen Körper im Brustkorb auf und ab bewegt, um beide Lungenflügel aufzublasen und zu entleeren.
Dieser Clip zeigt einen Überschalljet, der eine „blasebalgartige Aktion“ erzeugt, indem er Impulse aus seinem „Herzen“, dem Schwarzen Loch, empfängt, wodurch er sich „wie eine luftgefüllte Lunge“ ausdehnt und zusammenzieht und „warme Luft“ (Druckwellen) in seine Umgebung ausatmet. Die Achsen des Diagramms sind dimensionslose Entfernungsskalen. Bildnachweis: C Richards/MD Smith/University of Kent
Dies kann dazu führen, dass die Jet-Energie weit in das umgebende Medium übertragen wird, so wie wir warme Luft ausatmen, was zu einer Verlangsamung der Gasakkretion und des Wachstums der Galaxie führt.
Der Doktorand Carl Richards entwickelte diese Theorie, nachdem er neue, noch nie zuvor erprobte Simulationen erstellt hatte, um die Rolle zu untersuchen, die Überschalljets bei der Hemmung des Galaxienwachstums spielen könnten.
Dabei ließ man das „Herz“ des Schwarzen Lochs pulsieren und die Jets unter hohem Druck stehen – ähnlich einer Form von Bluthochdruck, wenn man den Vergleich auf den menschlichen Körper ausweitet. Dies führte dazu, dass die Jets „wie Blasebälge wirkten“, sagte er, indem sie Schallwellen aussendeten „wie Wellen auf einer Teichoberfläche“.
Das Phänomen ähnelt den Schall- und Stoßwellen, die auf der Erde beim Öffnen einer Champagnerflasche, beim Kreischen eines Autos, bei Raketenausstößen und beim Platzen von Druckbehältern entstehen.
„Wir erkannten, dass es eine Möglichkeit geben musste, wie die Jets den Körper stützen konnten – das die Galaxie umgebende Gas – und genau das haben wir bei unseren Computersimulationen entdeckt“, sagte Richards.
„Das unerwartete Verhalten wurde deutlich, als wir die Computersimulationen des hohen Drucks analysierten und das Herz pulsieren ließen. Dadurch wurde ein Strom von Impulsen in die Hochdruckstrahlen gesendet, was dazu führte, dass sie aufgrund der blasebalgartigen Wirkung der oszillierenden Strahlstoßfronten ihre Form veränderten.“
Diese unter Überdruck stehenden Jets dehnten sich effektiv „wie luftgefüllte Lungen“ aus, sagten die Forscher.
Dabei übertrugen sie Schallwellen in Form einer Reihe von Druckwellen in die umgebende Galaxie, die nachweislich das Wachstum der Galaxie unterdrückten.
Es gibt einige Hinweise auf Wellen in extragalaktischen Medien, wie sie etwa im nahegelegenen Perseus-Galaxienhaufen in Verbindung mit enormen heißen Gasblasen beobachtet wurden, bei denen es sich vermutlich um Beispiele für Schallwellen handelt.
Man ging bereits davon aus, dass diese Wellen für die Erhaltung der Umgebung einer Galaxie verantwortlich seien, allerdings fehlte damals noch ein Mechanismus zu ihrer Erzeugung.
Konventionelle kosmologische Simulationen sind daher nicht in der Lage, den Gasfluss in Galaxien hinein zu erklären, was eines der großen Mysterien des Universums darstellt. Man verlässt sich daher darauf, dass das hochaktive Schwarze Loch im Herzen einer Galaxie einen gewissen Widerstand bietet.
„Das ist allerdings nicht einfach, und wir haben Einschränkungen hinsichtlich der Art der Pulsation, der Größe des Schwarzen Lochs und der Qualität der Lungen“, sagte Co-Autor Professor Michael Smith. „Zu schnelles oder zu langsames Atmen wird nicht die lebensspendenden Erschütterungen erzeugen, die nötig sind, um das galaktische Medium aufrechtzuerhalten und gleichzeitig das Herz mit Energie zu versorgen.“
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Lebensdauer einer Galaxie mithilfe ihres „Herzens und ihrer Lungen“ verlängert werden kann. Dabei trägt das supermassereiche Schwarze Loch in ihrem Kern dazu bei, das Wachstum zu hemmen, indem es die Menge an Gas begrenzt, das bereits in einem frühen Stadium zu Sternen kollabiert.
Dies, so sagen sie, habe zur Entstehung der Galaxien beigetragen, die wir heute sehen.
Ohne einen solchen Mechanismus hätten Galaxien ihren Brennstoff inzwischen aufgebraucht und wären erloschen, wie es bei manchen in Form von „roten und toten“ oder „Zombie“-Galaxien der Fall ist.
Mehr Informationen:
Carl Richards et al., Simulationen gepulster Überdruckstrahlen: Bildung von Bälgen und Wellen in galaktischen Umgebungen, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1498