Wie man ein Schwarzes Loch mästet

Die Vorstellung, dass Schwarze Löcher Materie aufsaugen, sollte man besser nicht haben, denn schwarze Löcher saugen nicht. Ganz im Gegenteil haben sie es manchmal sogar ziemlich schwer Materie aufzusammeln. Wie schwer es sein kann, wird besonders in Aktiven Galaxien (AGNs) deutlich, wo Materie aus der Galaxie ein zentrales supermassives Schwarzes Loch mit Fütterungsraten von einigen Sonnenmassen pro Jahr versorgt. Dass dies extrem schnell gehen muss, weiß man, seitdem Beobachtungen mit dem Sloan Digital Sky Survey ergeben haben, dass Galaxien bereits sehr früh sehr massereiche Schwarze Löcher besitzen: bereits bei Rotverschiebungen von 6 und größer, also lediglich wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, wurden indirekt supermassive schwarze Löcher mit mehreren Milliarden Sonnenmassen gefunden (z.B. X. Fan et al. 2001). Diese Schwarzen Löcher müssen zeitlebens alles aufgesaugt, pardon, akkretiert haben, was sie bekommen konnten.

Doch wie bringt man die Materie in der Galaxie, also im wesentlichen Wasserstoffgas, in den innersten Bereich der Galaxie? Die Schwerkraft des Schwarzen Loches alleine reicht dazu nicht aus, sie führt lediglich zu elliptischen Bahnen in einem bestimmten Abstand mit einer bestimmten Geschwindigkeit, so wie ja auch die Planeten in stabilen Bahnen um die Sonne kreisen und nicht in die Sonne stürzen, obwohl sie von ihr angezogen werden.
Dazu gibt es derzeit verschiedene Ansätze, die den Materiefluss ins Zentrum in den unterschiedlichen Entfernungsbereichen vom Schwarzen Loch erklären sollen. Es ist mehr oder weniger Konsens, dass Galaxienkollisionen (die es im frühen Universum noch viel häufiger gab, weil die Galaxiendichte damals viel größer war – das Universum war ja noch kleiner!) die Materie in den zentralen 100 Parsec durcheinander wirbelt und in den Einflussbereich des Schwarzen Loches bringt, also in die Regionen, wo die Schwerkraft des Schwarzen Loches dominiert über die Eigengravitation der einfallenden Gaswolken. Das bringt Materie in den Bereich einiger Parsec.
Viel weiter innen, dort wo man Abstände vom Schwarzen Loch nicht mehr in Parsec, sondern in (tausenden) Astronomischen Einheiten misst, hat man ebenfalls eine physikalische Vorstellung davon, wie die Materie Drehimpuls verlieren kann und sich so dem Schwarzen Loch als Nahrung anbieten kann: Vor etwa zwanzig Jahren zeigten Balbus und Hawley (Balbus & Hawley, 1991), dass Magnetfelder dazu führen können, dass Drehimpuls nach außen abgegeben wird und somit ein Teil der Materie weiter einfallen kann.
Zwischen diesen Bereichen, also zwischen etwa 10 Parsec und einigen Tausendstel Parsec ist aber nicht klar, wie Materie weiter ins Zentrum einströmen kann. Diesen Bereich haben sich daher jetzt Philip Hopkins und Eliot Quataert in neuen Computersimulationen angeschaut. Um die verschiedenen Größenskalen, von Kiloparsec bis Milliparsec, überbrücken zu können, haben sie mit großskaligen Simulationen angefangen und dann jeweils den Zentralbereich vergrößert und mit größerer Auflösung weitersimuliert. Videos dieser Simulationen findet man auf Hopkins Homepage.
Im Bereich innerhalb etwa eines Kiloparsecs staut sich das Gas zunächst auf und beginnt sehr intensiv Sterne zu bilden. Diese Region ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nicht mehr durch die Schwerkraft anderer Sterne und auch noch nicht durch die Schwerkraft des Schwarzen Loches dominiert ist, sondern hauptsächlich seine eigene Gravitation sieht und dadurch zu Sternen kollabieren kann.
Hopkins und Quataert fanden nun, dass in diesem Zwischenbereich der Drehimpuls, der das Gas am weiteren Einfall auf das Schwarze Loch behindert, hauptsächlich durch gravitative Wechselwirkung des Gases mit den Sternen transportiert wird, das heißt: Die Sterne, die sich ja aus dem akkretierenden Gas gebildet haben, üben nun durch ihre Schwerkraft Kräfte auf das Gas aus, die das Gas weiter nach innen befördern.
In ihrem heute erschienen Paper haben sie nun in der Andromedagalaxie (M 31), wo die zentrale Sternscheibe unter anderem mit dem Hubble-Weltraumteleskop en detail beobachtet worden ist, die Akkretionsrate ausgerechnet, für die diese Sternverteilung möglicherweise vor vielen Millionen Jahren mal verantwortlich war. Sie finden dabei eine Akkretionsrate von etwa einer Sonnenmasse pro Jahr, was gut mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, und finden ganz nebenbei auch noch, dass das Gas, welches sich in der Zeit, als Andromeda eine Aktive Galaxie war, im Zentrum dieser Galaxie befand, auch für eine deutliche Sichtbehinderung auf das Zentrum der Galaxie verantwortlich war — also wie der Torus in einer Aktiven Galaxie. (Gängige Überzeugung heutzutage ist ja, dass jede Galaxie aktive und ruhige, also akkretierende und nicht-akkretierende, Phasen durchlebt.)
Die Überzeugung, dass Sternentstehung im Zentrum von Galaxien, Akkretion auf ein Schwarzes Loch und Bildung eines Torus, wie er zur Erklärung der verschiedenen Klassen von AGNs notwendigt ist, irgendwie zusammenhängen, ist zwar nicht neu. Dazu gibt es schon etliche andere ausführliche Simulationen (z.B. Schartmann 2009). Die Akkretion auf das zentrale Schwarze Loch von Kiloparsec-Skalen bis auf Milliparsec-Skalen mit einer einzigen Simulation zu erklären, habe ich aber vorher noch nicht gelesen.

Veröffentlicht von

Nach dem Studium der Physik in Würzburg und Edinburgh, habe ich mich in meiner Diplomarbeit mit der Theorie von Blazar-Spektren beschäftigt. Zur Doktorarbeit bin ich dann im Herbst 2007 nach Heidelberg ans Max-Planck-Institut für Astronomie gewechselt. Von dort aus bin ich mehrere Male ans VLT nach Chile gefahren, um mithilfe von Interferometrie im thermischen Infrarot die staubigen Zentren von aktiven Galaxien zu untersuchen. In dieser Zeit habe ich auch den Blog begonnen -- daher der Name... Seit Anfang 2012 bin ich als Postdoc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching im Norden von München. Dort beschäftige ich mich weiterhin mit Aktiven Galaxien und bin außerdem an dem Instrumentenprojekt GRAVITY beteiligt, das ab 2015 jeweils vier der Teleskope am VLT zusammenschalten soll.

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. @Leo

    Servus Leo,

    ist ja wirklich ne sehr interessante Arbeit, beim Lesen Deines Blogs habe ich wieder was dazu gelernt:)

    Helmut

  2. In der Tat…

    .. mein Jurastudium war für die Katz‘.
    Wäre ich nochmal 20, würde ich mich vonehmlich mit solch interessanten Dingen befassen. Vielen Dank für die Weiterbildung!
    Gruss,
    Frank

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