Im Zentrum von Galaxien sitzen supermassereiche Schwarze Löcher – Giganten mit mehreren Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Die meisten dieser Schwarzen Löcher sind inaktiv, wie beispielsweise Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße. Doch es gibt auch Galaxien, in denen die zentralen Schwarzen Löcher aktiv große Mengen Materie verschlingen. Dadurch setzen diese aktiven Galaxienkerne (AGN) intensive Strahlung frei. Zusätzlich kommt es jedoch auch immer wieder zu kurzzeitigen Ausbrüchen von Strahlung und energiereichen Teilchen. Letztere rasen dann als starker Wind aus heißen, ionisierten Gasen ins All hinaus. “Mit kinetischen Energien von bis zu 1046 erg sind solche ultraschnellen Ausströme vielversprechende Kandidaten für den AGN-Feedback – den Prozess, durch den das zentrale Schwarze Loch in großem Stil Energie in seine Wirtsgalaxie überträgt, erklären Liyi Gu von der Universität Leiden und ihre Kollegen. Gängiger Theorie nach sind die Winde der aktiven Galaxienkerne damit eine treibende Kraft für Wachstum und Sternbildung von Galaxien.
Röntgenblick auf den Ausbruch eines aktiven Galaxienkerns
„Wegen ihres großen Einflusses ist es entscheidend, mehr darüber zu erfahren, wie aktive Galaxienkerne ihre schnellen Winde erzeugen”, sagt Camille Diez vom Astronomiezentrum der europäischen Weltraumagentur ESA in Madrid. “Das könnte dazu beitragen, die Entwicklung der Galaxien im Universum besser zu verstehen.“ Doch bisher ist es Astronomen nur wenige Male gelungen, einen solchen Ausbruch auf frischer Tat zu ertappen. Meist reichte die Auflösung der Instrumente zudem nicht aus, um Details zu Energie und Tempo der AGN-Winde zu zeigen. Deshalb haben die Astronomen nun das europäische Röntgenteleskop XMM-Newton und ein hochauflösendes Spektrometer des Röntgen-Teleskops XRISM genutzt, um einen besonders aktiven Galaxienkern ins Visier zu nehmen. Das XRISM-Teleskop ist erst seit Herbst 2023 am All und wird von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA gemeinsam mit ESA und NASA betrieben. Zielobjekt der zehntägigen Beobachtungen war das Zentrum der Spiralgalaxie NGC 3783, in dem ein Schwarzes Loch von 28 Millionen Sonnenmassen aktiv Materie verschlingt und immer wieder Strahlungsausbrüche durchläuft.
Tatsächlich ereignete sich in der Beobachtungszeit ein Strahlungsausbruch am Schwarzen Loch von NGC 3783: “Im Verlauf der zehn Tage stieg die Intensität der Röntgenstrahlung um rund 60 Prozent an, sowohl in der harten wie der weicheren Röntgenstrahlung”, berichten die Astronomen. Während dieses Ausbruchs kam es zudem immer wieder zu kürzeren Flares. Die kombinierten Daten der beiden Röntgen-Teleskope und ihrer Messinstrumente ermöglichte es Gu und ihrem Team, die Geschwindigkeit, Struktur und den Ursprung der dabei ins All geschleuderten Teilchenströme mitzuverfolgen. Die Beobachtungen enthüllten einen auffälligen Knick in der Strahlungskurve des abklingenden Ausbruchs. Während die Röntgenstrahlung allmählich nachließ, schleuderte der aktive Galaxienkern starke, schnelle Teilchenströme aus. „Wir haben noch nie gesehen, wie ein Schwarzes Loch so schnell Winde erzeugt“, sagt Gu. „Zum ersten Mal konnten wir beobachten, wie ein schneller Röntgenausbruch von Röntgenlicht aus einem Schwarzen Loch unmittelbar ultraschnelle Winde auslöst.“
Teilchenwinde mit einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit
Die vom Ausbruch am Schwarzen Loch erzeugten Winde rasten mit rund 57.000 Kilometer pro Sekunde nach außen – das entspricht knapp einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit. Nähere Analysen ergaben zudem, dass diese schnellen Teilchenströme aus der innersten Region der rotierenden Materiescheibe um das Schwarze Loch stammten. Dort kam es während des abklingenden Strahlungsausbruchs offenbar zu einer plötzlichen starken Störung der lokalen Magnetfelder. „Die Winde rund um dieses Schwarze Loch scheinen entstanden zu sein, als sich das verworrene Magnetfeld des AGN plötzlich ‚entwirrte‘”, erklärt Co-Autor Matteo Guainazzi von der ESA. Damit ähnelt der Auslöser der ultraschnellen Winde am Galaxienkern denen bei einem Sonnenausbruch – nur in viel größerem Maßstab. Denn auch die Flares und koronaren Massenauswürfe der Sonne entstehen, wenn “verknäulte” Magnetfeldlinien der solaren Magnetfelder sich abrupt umlagern und dabei ihre Energie freisetzen. Typischerweise entlädt sich die Energie dann zuerst in einem Strahlungsausbruch, dann folgt ein Ausstrom energiereichen Plasmas.
Ähnlich verlief der nun mitverfolgte Ausbruch beim zentralen Schwarzen Loch der Spiralgalaxie NGC 3783: Erst gab es einen heftigen Röntgenstrahlungsausbruch, dann schoss der Strom schneller Teilchen ins All hinaus. “Das ist spannend, denn es legt nahe, dass die Physik der Sonne und solcher Hochenergieumgebungen im Kosmos überall auf überraschend vertraute Weise funktioniert”, kommentiert der Astrophysiker Erik Kuulkers aus dem Team des XMM-Newton-Teleskops.
Quelle: Liyi Gu (Leiden University, SRON Space Research Organisation Netherlands) et al., Astronomy and Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202557189
