Staubige Überraschung um riesiges Schwarzes Loch

Künstlerische Darstellung der Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs in NGC 3783

Illustration: ESO/M. Kornmesser

Das VLT-Interferometer der ESO hat die detailliertesten Beobachtungen des Staubs um ein riesiges Schwarzes Loch im Zentrum einer aktiven Galaxie geliefert, die jemals gemacht wurden. Dabei fanden die Astronomen den leuchtenden Staub nicht wie erwartet in einem ringförmigen Torus um das Schwarze Loch vor, sondern größtenteils über- und unterhalb.

Diese Messungen zeigen somit, dass der Staub als kühler Wind vom Schwarzen Loch ausgeht, eine überraschende Feststellung, die eine Herausforderung für die derzeitigen Theorien darstellt und zeigt, wie supermassereiche Schwarze Löcher sich entwickeln und mit ihrer Umgebung wechselwirken.

In den letzten zwanzig Jahren haben Astronomen herausgefunden, dass sich in den Zentren fast aller Galaxien ein riesiges Schwarzes Loch befindet. Einige dieser Schwarzen Löcher wachsen, indem sie Materie aus ihrer Umgebung einsaugen. Dabei entstehen die energiereichsten Objekte des Universums: aktive Galaxienkerne (engl.: Active Galactic Nuclei, kurz AGN). Die zentralen Regionen dieser leuchtenden Kraftwerke sind von ringförmigen Ansammlungen aus kosmischem Staub umgeben [1], der aus der Umgebung angezogen wurde, ähnlich wie Wasser, das einen kleinen Wirbel um den Abfluss eines Waschbeckens bildet. Bislang ist man davon ausgegangen, dass der Großteil der starken Infrarotstrahlung, die von den AGN kommt, aus diesen Staubtori stammt.

Neue Beobachtungen einer nahegelegenen aktiven Galaxie namens NGC 3783, die die Leistungsfähigkeit des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) am Paranal-Observatorium der ESO in Chile [2] ausgenutzt haben, bargen eine Überraschung für eine Gruppe von Astronomen: Obwohl der heiße Staub mit Temperaturen von 700 bis 1000 Grad Celsius sich tatsächlich wie erwartet in einem Ring befand, fanden sie eine riesige Menge an kühlem Staub über und unter diesem Haupttorus [3].

Der deutsche Astronom Sebastian Hönig, der zur Zeit an der University of California Santa Barbara in den USA und an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel arbeitet, ist Erstautor des Fachartikels, in dem diese Ergebnisse vorgestellt werden. Er erklärt: „Das ist das erste Mal, dass wir in der Lage sind, detaillierte Beobachtungen des kühlen Staubs mit Raumtemperatur um einen AGN im mittleren Infrarotbereich mit ähnlich detaillierten Beobachtungen des sehr heißen Staubs zu vereinen. Außerdem handelt es sich bei unseren Messungen um den größten Satz infraroter Interferometriedaten für einen AGN, der bislang veröffentlicht wurde.”

Der neu entdeckte Staub bildet einen kühlen Wind aus, der vom Schwarzen Loch aus nach außen strömt. Dieser Wind muss eine wichtige Rolle in der komplexen Beziehung zwischen dem Schwarzen Loch und dessen Umgebung spielen. Das Schwarze Loch stillt zwar seinen unersättlichen Appetit mit dem umliegenden Material, gleichzeitig scheint die dadurch verursachte intensive Strahlung das Material aber auch wegzublasen. Es ist nach wie vor unklar, wie diese zwei Mechanismen zusammenspielen und es supermassereichen Schwarzen Löchern so erlauben zu wachsen und sich innerhalb von Galaxien zu entwickeln. Das Vorhandensein eines staubigen Winds trägt jedoch ein weiteres Puzzlestück zu diesem Bild bei.

Um die Zentralregion von NGC 3783 zu untersuchen, benötigten die Astronomen die vereinte Leistung der Hauptteleleskope des Very Large Telescope der ESO. Schaltet man diese Teleskopeinheiten zusammen, erhält man ein Interferometer mit einer Auflösung, die der eines Teleskops mit 130 Metern Spiegeldurchmesser gleicht.

Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, ein Mitglied des Astronomenteams, ergänzt: „Erst durch die Kombination der erstklassigen Empfindlichkeit der großen Spiegel des VLT mit der Interferometrietechnik können wir genug Licht sammeln, um so lichtschwache Objekte detailliert zu beobachten. So können wir eine Region in einer Galaxie in einigen zehn Millionen Lichtjahren Entfernung untersuchen, die gerade mal so groß ist wie der Abstand zwischen der Sonne und dem nächsten Stern. Kein anderes optisches oder Infrarotsystem ist derzeit dazu in der Lage.”

Die neuen Beobachtungen könnten zu einem Paradigmenwechsel im Verständnis von AGN führen: Sie sind ein direkter Nachweis dafür, dass Staub von intensiver Strahlung weggestoßen wird. Modelle, die die Staubverteilung und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher und deren Entwicklung beschreiben, müssen nun diesen neuentdeckten Effekt berücksichtigen.

Abschließend ergänzt Hönig: „Ich freue mich schon auf das Instrument MATISSE, das es uns ermöglichen wird, alle vier VLT-Hauptteleskope auf einmal zusammenzuschließen und gleichzeitig im nahen und mittleren Infrarot zu beobachten, was uns noch viel detaillierte Daten geben wird.” MATISSE, ein Instrument der zweiten Generation am VLTI, befindet sich derzeit noch im Aufbau.

Endnoten

[1] Kosmischer Staub besteht aus Silikat- und Graphitkpartikeln – Mineralien, die es auch auf der Erde gibt. Der Ruß einer Kerze ist kosmischem Graphit sehr ähnlich, jedoch sind die Staubkörner im Ruß mehr als zehn mal so groß wie die typischen Körner des kosmischen Graphits.

[2] Das VLTI besteht aus den vier VLT-Hauptteleskopen mit Spiegeldurchmessern von 8,2 Metern und den vier beweglichen VLT-Hilfsteleskopen mit 1,8 Metern Spiegeldurchmesser. Es nutzt eine Methode, die Interferometrie genannt wird, bei der ausgeklügelte Instrumente das Licht von mehreren Teleskopen zu einer Beobachtung zusammenführen. Obwohl diese Technik normalerweise keine Bilder liefert, hat diese Methode das Maß an Details, die in den resultierenden Beobachtungen gemessen werden können, drastisch verbessert. Die Messungen wären mit jenen, die ein Weltraumteleskop mit 100 Metern Spiegeldurchmesser machen würde, vergleichbar.

[3] Der heiße Staub wurde mit Hilfe des VLTI-Instruments AMBER im nahen Infrarotbereich kartiert. Für die neueren Beobachtungen, von denen hier berichtet wurde, wurde das MIDI-Instrument bei Wellenlängen zwischen 8 und 13 Mikrometern im mittleren Infrarotbereich verwendet.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie