Mithilfe eines neuen Computermodells der Galaxienbildung haben Forscher gezeigt, dass wachsende Schwarze Löcher einen Energiestoß freisetzen, der die Galaxienentwicklung und das Wachstum der Schwarzen Löcher selbst grundlegend reguliert. Das Modell erklärt zum ersten Mal beobachtete Phänomene und verspricht laut seinen Machern tiefere Einblicke in unser Verständnis der Galaxienbildung und der Rolle der Schwarzen Löcher in der gesamten kosmischen Geschichte. Die in der Nature-Ausgabe vom 10. Februar veröffentlichten Ergebnisse wurden von der Astrophysikerin der Carnegie Mellon University, Tiziana Di Matteo, und ihren Kollegen am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland erstellt. Zu den Mitarbeitern von Di Matteo gehören Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und Lars Hernquist von der Harvard University.
"In den letzten Jahren haben Wissenschaftler erkannt, dass die Gesamtmasse der Sterne in den heutigen Galaxien direkt der Größe des Schwarzen Lochs einer Galaxie entspricht, aber bis jetzt konnte niemand diese beobachtete Beziehung erklären", sagte Di. Matteo, Assistenzprofessor für Physik an der Carnegie Mellon. "Die Verwendung unserer Simulationen hat uns eine völlig neue Möglichkeit gegeben, dieses Problem zu untersuchen."
Der Schlüssel zu den Forschern? Der Durchbruch bestand darin, Berechnungen für die Dynamik von Schwarzen Löchern in ein Rechenmodell der Galaxienbildung einzubeziehen.
Als sich im frühen Universum Galaxien bildeten, enthielten sie wahrscheinlich kleine Schwarze Löcher in ihren Zentren. Im Standardszenario der Galaxienbildung wachsen Galaxien, indem sie durch die Schwerkraft zusammenkommen. Dabei verschmelzen die Schwarzen Löcher in ihrer Mitte und wachsen schnell, um ihre beobachteten Massen zu erreichen, die milliardenfach so groß sind wie die der Sonne. Daher werden sie supermassive Schwarze Löcher genannt. Auch zum Zeitpunkt der Fusion bilden sich die meisten Sterne aus verfügbarem Gas. Die heutigen Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher müssen das Ergebnis einer Reihe solcher Ereignisse sein.
Di Matteo und ihre Kollegen simulierten die Kollision zweier entstehender Galaxien und stellten fest, dass ihre beiden supermassiven Schwarzen Löcher beim Zusammenkommen der beiden Galaxien verschmolzen und zunächst das umgebende Gas verbrauchten. Diese Aktivität war jedoch selbstlimitierend. Als das supermassereiche Schwarze Loch der restlichen Galaxie Gas aufsaugte, trieb es einen Lumineszenzzustand an, der Quasar genannt wurde. Der Quasar versorgte das umgebende Gas so stark, dass es aus der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs zur Außenseite der Galaxie weggeblasen wurde. Ohne nahe gelegenes Gas konnte das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie nicht „essen“, um sich selbst zu erhalten, und wurde ruhend. Gleichzeitig stand kein Gas mehr zur Verfügung, um weitere Sterne zu bilden.
"Wir haben herausgefunden, dass die Energie, die von Schwarzen Löchern während einer Quasarphase freigesetzt wird, einen starken Wind antreibt, der verhindert, dass Material in das Schwarze Loch fällt", sagte Springel. „Dieser Prozess hemmt das weitere Wachstum von Schwarzen Löchern und schaltet den Quasar ab, genau wie die Sternentstehung in einer Galaxie stoppt. Infolgedessen sind die Masse des Schwarzen Lochs und die Masse der Sterne in einer Galaxie eng miteinander verbunden. Unsere Ergebnisse erklären auch zum ersten Mal, warum die Quasarlebensdauer im Vergleich zum Leben einer Galaxie eine so kurze Phase ist. “
In ihren Simulationen stellten Di Matteo, Springel und Hernquist fest, dass die Schwarzen Löcher in kleinen Galaxien ihr Wachstum wirksamer selbst begrenzen als in größeren Galaxien. Eine kleinere Galaxie enthält kleinere Gasmengen, so dass eine kleine Energiemenge aus dem Schwarzen Loch dieses Gas schnell wegblasen kann. In einer großen Galaxie kann das Schwarze Loch eine größere Größe erreichen, bevor das umgebende Gas so stark erregt wird, dass es nicht mehr hineinfällt. Mit ihrem schnell verbrauchten Gas bilden kleinere Galaxien weniger Sterne. Mit einem länger lebenden Gaspool bilden größere Galaxien mehr Sterne. Diese Ergebnisse stimmen mit der beobachteten Beziehung zwischen der Größe des Schwarzen Lochs und der Gesamtmasse der Sterne in Galaxien überein.
"Unsere Simulationen zeigen, dass Selbstregulierung beobachtete Tatsachen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern und Galaxien quantitativ erklären kann", sagte Hernquist, Professor und Lehrstuhl für Astronomie an der Harvard-Fakultät für Künste und Wissenschaften. "Es liefert eine Erklärung für den Ursprung des Quasarlebens und sollte es uns ermöglichen zu verstehen, warum Quasare im frühen Universum zahlreicher waren als heute."
"Mit diesen Berechnungen sehen wir jetzt, dass Schwarze Löcher einen enormen Einfluss auf die Art und Weise haben müssen, wie sich Galaxien bilden und entwickeln", sagte Di Matteo. "Die bisher erzielten Erfolge werden es uns ermöglichen, diese Modelle in größeren simulierten Universen zu implementieren, damit wir verstehen können, wie große Populationen von Schwarzen Löchern und Galaxien sich in einem kosmologischen Kontext gegenseitig beeinflussen."
Das Team führte seine Simulationen mit den umfangreichen Rechenressourcen des Zentrums für paralleles astrophysikalisches Rechnen am Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik und am Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft in Garching durch.
Originalquelle: Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts
