Ein Student der Universität von Massachusetts, Amherst, hat bedeutende Arbeiten zum Wachstum von Sternen und Schwarzen Löchern beigetragen und wichtige Einblicke in ihre Verbindung gegeben. Diese neuen Informationen werden es dem James Webb Space Telescope (JWST) ermöglichen, effizienter zu entwirren, wie Galaxien genau funktionieren.
Astronomen wissen, dass die Entwicklung von Galaxien von zwei Prozessen angetrieben wird: dem Wachstum von supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum jeder Galaxie und der Bildung neuer Sterne. Wie diese Prozesse zusammenhängen, blieb ein Rätsel und ist eine der Fragen, die das kürzlich gestartete James Webb Space Telescope (JWST) untersuchen wird. Die Arbeit von Meredith Stone, die im Mai 2022 das Astronomieprogramm der UMass Amherst abgeschlossen hat, wird Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie sie miteinander verbunden sind.
„Wir wissen, dass Galaxien im Laufe ihres Lebens wachsen, kollidieren und sich verändern“, sagt Stone, die diese Forschung unter der Leitung von Alexandra Pope, Professorin für Astronomie an der University of Massachusetts Amherst und leitende Autorin eines neuen Artikels, der kürzlich in veröffentlicht wurde, abgeschlossen hat Das Astrophysikalische Journal. „Und wir wissen, dass das Wachstum von Schwarzen Löchern und die Sternentstehung eine entscheidende Rolle spielen. Wir glauben, dass die beiden miteinander verbunden sind und sich gegenseitig regulieren, aber bis jetzt war es sehr schwer, genau zu sehen, wie.“
Dass es schwierig war, die Wechselwirkung zwischen Schwarzen Löchern und Sternen zu untersuchen, liegt zum Teil daran, dass wir diese Wechselwirkungen nicht wirklich sehen können, weil sie hinter riesigen Wolken aus galaktischem Staub stattfinden. „Bei Galaxien, die aktiv Sterne bilden, können mehr als 90 % des sichtbaren Lichts von Staub absorbiert werden“, sagt Pope, „und dieser Staub absorbiert sichtbares Licht.“
Es gibt jedoch eine Problemumgehung: Wenn der Staub sichtbares Licht absorbiert, erwärmt er sich, und obwohl das bloße menschliche Auge Wärme nicht sehen kann, können es Infrarotteleskope. „Wir haben das Spitzer-Weltraumteleskop verwendet“, sagt Stone, die diesen Herbst ihr Studium der Astronomie an der University of Arizona beginnen wird, „das während der Kampagne Great Observatories All-sky LIRG Survey (GOALS) gesammelt wurde, um die Mitte des Infrarot-Wellenlängenbereich einiger der hellsten Galaxien, die relativ nahe an der Erde sind.“ Insbesondere suchten Stone und ihre Co-Autoren nach bestimmten verräterischen Tracern, die die Fingerabdrücke von Schwarzen Löchern und Sternen mitten in der Entstehung sind.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass diese Fingerabdrücke äußerst schwach und fast unmöglich vom allgemeinen Rauschen des Infrarotspektrums zu unterscheiden sind. „Was Meredith getan hat“, sagt Pope, „ist, die Messungen dieser Tracer zu kalibrieren, damit sie deutlicher sind.“
Sobald das Team diese deutlicheren Beobachtungen in der Hand hatte, konnte es erkennen, dass das Wachstum von Schwarzen Löchern und die Sternentstehung tatsächlich gleichzeitig in denselben Galaxien stattfinden und sich gegenseitig zu beeinflussen scheinen. Stone konnte sogar das Verhältnis berechnen, das beschreibt, wie die beiden Phänomene miteinander verbunden sind.
Dies ist nicht nur eine aufregende wissenschaftliche Errungenschaft an sich, Stones Arbeit kann vom JWST mit seinem beispiellosen Zugang zum Licht des mittleren Infrarotspektrums aufgegriffen und dazu verwendet werden, die verbleibenden Fragen viel genauer zu untersuchen. Denn obwohl Stone und ihre Co-Autoren, darunter Jed McKinney, Astronomiestudent an der UMass Amherst, quantifizierten, wie Schwarze Löcher und Sterne in derselben Galaxie verbunden sind, bleibt ein Rätsel, warum sie verbunden sind.
Meredith Stone et al., Messen der Sternentstehung und der Akkretionsraten von Schwarzen Löchern im Tandem unter Verwendung von Spektren im mittleren Infrarot von lokalen infrarot leuchtenden Galaxien, Das Astrophysikalische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac778b