Geschichte eines Schwarzen Loches und seiner Galaxie entschlüsselt

12. Oktober 2011, 12:05
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Astronomen bestimmen Masse einer neun Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie

Deutsche Astronomen haben eine neue Technik entwickelt, um die Masse einer fast neun Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie direkt zu bestimmen. Mit Hilfe neuester Instrumente und Analysemethoden lassen sich dadurch die gemeinsame Entwicklung von Galaxien und den Schwarzen Löchern in ihren Kernregionen genauer rekonstruieren als bislang möglich. Erste Ergebnisse zeigen, dass der Großteil der kosmischen Geschichte für Galaxien keine Zeit umwälzender Veränderungen war.

Eine der spannendsten astronomischen Entwicklungen der letzten Jahrzehnte ist die Erkenntnis, dass die meisten Galaxien in ihren Zentralregionen supermassive Schwarze Löcher enthalten und dass es einen direkten Zusammenhang zwischen der Masse eines solchen Schwarzen Lochs und der Masse der zugehörigen Galaxie gibt. Der Zusammenhang lässt sich nicht nur aus Beobachtungen ableiten; wie Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie vor kurzem zeigen konnten, folgt er auch direkt aus dem aktuellen Standardmodell der Galaxienentwicklung, dem so genannten hierarchischen Modell.

Wenn Astronomen immer weiter entfernte Objekte im Kosmos beobachten, dann blicken sie damit automatisch weiter und weiter in die Vergangenheit. Wer unterschiedlich weit entfernte Galaxien untersucht, kann direkt nachmessen, ob sich der Zusammenhang zwischen der Masse einer Galaxie und der Masse ihres zentralen Schwarzen Lochs mit der Zeit verändert hat.

Für Galaxien in mehr als fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung haben derartige Untersuchungen allerdings mit großen Schwierigkeiten zu kämpfen. Die Massenmessung am Schwarzen Loch ist dabei noch vergleichsweise einfach möglich: Typischerweise betrachtet man so genannte aktive Galaxien, bei denen sich die Masse des Schwarzen Loches mit gut etablierten Methoden - nämlich über die durch das Verschlingen von Materie abgegebene elektromagnetische Strahlung - abschätzen lässt. Die Herausforderung ist die Bestimmung der Masse der Galaxie als Ganzes. Bei so großen Entfernungen liefern die herkömmlichen Methoden zur Massenbestimmung nur noch sehr unsichere Ergebnisse - wenn überhaupt.

Gesamtmasse aus der Umlaufgeschwindigkeit

Den Astronomen gelang es nun mit ihrer neuen Methode, direkt die so genannte dynamische Masse der aktiven Galaxie J090543.56+043347.3 (gebildet aus der Position der Galaxie am Himmel) in 8,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu messen. Dabei geht es um folgendes: Sterne und Gaswolken einer Galaxie umkreisen langsam das galaktische Zentrum; unsere Sonne beispielsweise vollendet in etwa alle 250 Millionen Jahre einen solchen Umlauf um das Zentrum der Milchstraße. Die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne und Wolken hängen direkt von ihrem Abstand zum Zentrum und davon ab, wie die Masse innerhalb der Galaxie verteilt ist. Wer diese Umlaufgeschwindigkeiten messen kann, kann daraus auch die Gesamtmasse der Galaxie bestimmen.

Allerdings ist solch eine Massenbestimmung ungleich leichter gesagt als getan. Um ihre Messung durchzuführen und ein zuverlässiges Ergebnis für die dynamische Masse von J090543.56+043347.3 zu erhalten, mussten die Astronomen bei Beobachtung und Datenanalyse beachtlichen Aufwand treiben. Kombiniert mit dem Massenwert für das Schwarze Loch, den die Forscher aus denselben Daten ableiten konnten, zeigt sich: Der Zusammenhang der beiden Masse ist bei dieser weit entfernten Galaxie der gleiche wie in unserer unmittelbaren galaktischen Nachbarschaft. Offenbar hat sich zwischen damals und heute nicht allzu viel getan. Zumindest bis zu dieser Entfernung, also neun Milliarden Jahre in der Vergangenheit, ist der Zusammenhang zwischen Galaxien und Schwarzen Löchern der gleiche wie für heutige Galaxien.

Inskip und ihre Kollegen sind eifrig dabei, ihre neue Methode auf eine Stichprobe von 15 weiteren Galaxien anzuwenden. Bestätigen diese das Ergebnis, dann hätten die meisten Galaxien in den vergangenen neun Milliarden Jahren - also für mehr als die Hälfte kosmischer Geschichte überhaupt - ein eher beschauliches Leben geführt und sich nur sehr allmählich und in begrenztem Umfang verändert. (red)

  • Aufnahme der 8,8 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie J090543.56+043347.3: die Farben zeigen an, ob und wie schnell sich das Gas in dem betreffenden Bereich auf uns zu oder von uns weg bewegt. Aus diesen Informationen haben die Forscher die dynamische Masse der Galaxie rekonstruiert. Der Stern in der Mitte zeigt die Position des Schwarzen Loches im Galaxienkern an, die Konturlinien die Helligkeit des von ihm ausgesandten Lichts.
    foto: k. j. inskip/mpia

    Aufnahme der 8,8 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie J090543.56+043347.3: die Farben zeigen an, ob und wie schnell sich das Gas in dem betreffenden Bereich auf uns zu oder von uns weg bewegt. Aus diesen Informationen haben die Forscher die dynamische Masse der Galaxie rekonstruiert. Der Stern in der Mitte zeigt die Position des Schwarzen Loches im Galaxienkern an, die Konturlinien die Helligkeit des von ihm ausgesandten Lichts.

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