Der Jet eines Schwarzen Lochs begünstigt Sternausbrüche

Astro­no­men haben mit Hil­fe des NASA/E­SA-Welt­raum­te­le­skops Hub­ble ent­deckt, dass der stark gebün­del­te Strahl eines super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Lochs im Zen­trum einer rie­si­gen Gala­xie offen­bar Ster­ne ent­lang sei­ner Flug­bahn zum Aus­bruch bringt. Die Ster­ne, die Novae genannt wer­den, befin­den sich nicht im Inne­ren des Jets, son­dern offen­bar in einer gefähr­li­chen Umgebung.

Der Befund ver­wirrt For­scher, die nach einer Erklä­rung suchen. „Wir wis­sen nicht, was los ist, aber es ist ein­fach eine sehr auf­re­gen­de Ent­de­ckung“, sag­te Haupt­au­tor Alec Les­sing von der Stan­ford Uni­ver­si­ty. „Das bedeu­tet, dass etwas in unse­rem Ver­ständ­nis dar­über fehlt, wie Jets von Schwar­zen Löchern mit ihrer Umge­bung interagieren.“

In einem Dop­pel­stern­sys­tem bricht eine Nova aus, wenn ein altern­der, auf­ge­bläh­ter, nor­ma­ler Stern Was­ser­stoff auf einen aus­ge­brann­ten Begleit­stern, einen Wei­ßen Zwerg, über­trägt. Wenn der Wei­ße Zwerg eine meh­re­re Kilo­me­ter dicke Was­ser­stoff­schicht auf sei­ner Ober­flä­che ange­sam­melt hat, explo­diert die­se Schicht wie eine rie­si­ge Atom­bom­be. Der Wei­ße Zwerg wird durch den Nova­aus­bruch nicht zer­stört, son­dern stößt sei­ne Ober­flä­chen­schicht ab und saugt dann wie­der Brenn­stoff von sei­nem Begleit­stern ab, so dass der Zyklus des Nova­aus­bruchs von neu­em beginnt.

Hub­ble hat nun in der Nähe des Jets dop­pelt so vie­le Novae ent­deckt wie anders­wo in der Rie­sen­ga­la­xie im unter­such­ten Zeit­raum. Der Jet wird von einem zen­tra­len Schwar­zen Loch mit einer Mas­se von 6,5 Mil­li­ar­den Son­nen­mas­sen aus­ge­sto­ßen, das von einer Schei­be aus wir­beln­der Mate­rie umge­ben ist. Das mit ein­fal­len­der Mate­rie gesät­tig­te Schwar­ze Loch stößt einen 3.000 Licht­jah­re lan­gen Plas­ma­strahl aus, der mit nahe­zu Licht­ge­schwin­dig­keit durch den Welt­raum rast. Alles, was in den Ener­gie­strahl gerät, wür­de ver­glü­hen. Den neu­en Hub­ble-Erkennt­nis­sen zufol­ge ist es aber offen­bar auch ris­kant, sich in der Nähe des glü­hen­den Aus­flus­ses auf­zu­hal­ten. Die Tat­sa­che, dass dop­pelt so vie­le Novae in der Nähe des Jets gefun­den wur­den, deu­tet dar­auf hin, dass es in der Nähe des Jets dop­pelt so vie­le Dop­pel­stern­sys­te­me gibt, die Novae erzeu­gen, oder dass die­se Sys­te­me dop­pelt so häu­fig aus­bre­chen wie ähn­li­che Sys­te­me anders­wo in der Galaxie.

„Irgend­et­was macht der Jet mit den Ster­nen­sys­te­men, die in sei­ne Umge­bung gera­ten. Viel­leicht über­trägt der Jet irgend­wie Was­ser­stoff­brenn­stoff auf die Wei­ßen Zwer­ge, so dass sie häu­fi­ger aus­bre­chen“, sagt Les­sing. „Aber es ist nicht klar, ob es sich um einen phy­si­ka­li­schen Vor­trieb han­delt. Es könn­te der Effekt des Drucks des Lichts sein, das von dem Strahl aus­geht. Wenn man Was­ser­stoff schnel­ler abgibt, kommt es auch schnel­ler zu Aus­brü­chen. Irgend­et­was könn­te die Mas­sen­trans­fer­ra­te auf die Wei­ßen Zwer­ge in der Nähe des Jets ver­dop­peln.“ Eine wei­te­re Idee der For­scher war, dass der Jet den Begleit­stern des Zwer­ges auf­heizt, so dass die­ser sich wei­ter aus­dehnt und mehr Was­ser­stoff auf den Zwerg­stern abgibt. Die For­scher berech­ne­ten jedoch, dass die­se Erwär­mung bei wei­tem nicht aus­reicht, um einen sol­chen Effekt zu erzielen.

„Wir sind nicht die ers­ten, die gesagt haben, dass rund um den M87-Jet offen­bar mehr Akti­vi­tät gibt“, sagt Micha­el Sha­ra vom Ame­ri­can Muse­um of Natu­ral Histo­ry in New York City, der an der Stu­die mit­ge­wirkt hat. „Aber Hub­ble hat die­se ver­stärk­te Akti­vi­tät mit viel mehr Bei­spie­len und sta­tis­ti­scher Signi­fi­kanz gezeigt, als wir jemals zuvor hatten.“

Kurz nach dem Start von Hub­ble im Jahr 1990 war­fen Astro­no­men mit der ers­ten Gene­ra­ti­on der Faint Object Came­ra (FOC) einen Blick in das Zen­trum von M87, wo sich das mons­trö­se Schwar­ze Loch befin­det. Dabei stell­ten sie fest, dass sich rund um das Schwar­ze Loch unge­wöhn­li­che Din­ge abspiel­ten. Fast jedes Mal, wenn Hub­ble hin­schau­te, sahen die Astro­no­men bläu­li­che „tran­si­en­te Ereig­nis­se“, die auf Novae hin­deu­ten könn­ten, die wie Blitz­lich­ter von Papa­raz­zi-Kame­ras in der Nähe auf­tau­chen. Aller­dings war der Blick­win­kel des FOC so eng, dass die Hub­ble-Astro­no­men nicht vom Jet weg­schau­en konn­ten, um ihn mit der Regi­on in der Nähe des Jets zu ver­glei­chen. Nach mehr als zwei Jahr­zehn­ten der Beob­ach­tung sind die neu­en Ergeb­nis­se nicht weni­ger rätselhaft.

Über­zeu­gen­de Bewei­se für den Ein­fluss des Jets auf die Ster­ne in der Mut­ter­ga­la­xie wur­den über einen Zeit­raum von neun Mona­ten gesam­melt, als Hub­ble mit neue­ren Kame­ras mit grö­ße­rem Gesichts­feld beob­ach­te­te, um aus­bre­chen­de Novae zu zäh­len. Dies stell­te eine Her­aus­for­de­rung für den Beob­ach­tungs­plan des Tele­skops dar, da M87 genau alle fünf Tage für eine neue Moment­auf­nah­me auf­ge­sucht wer­den muss­te. Die Sum­me aller Auf­nah­men von M87 ergab die tiefs­ten Bil­der, die jemals von M87 gemacht wurden.

Hub­ble fand 94 Novae in dem Drit­tel von M87, das sei­ne Kame­ra erfas­sen kann. „Der Jet war nicht das Ein­zi­ge, was wir unter­such­ten – wir betrach­te­ten die gesam­te inne­re Gala­xie. Sobald man alle bekann­ten Novae in M87 ein­ge­zeich­net hat­te, brauch­te man kei­ne Sta­tis­ti­ken, um sich davon zu über­zeu­gen, dass es ent­lang des Jets einen Über­schuss an Novae gibt. Das ist kei­ne Rake­ten­wis­sen­schaft. Wir haben die Ent­de­ckung ein­fach durch Betrach­ten der Bil­der gemacht. Und obwohl wir wirk­lich über­rascht waren, haben unse­re sta­tis­ti­schen Ana­ly­sen der Daten bestä­tigt, was wir ein­deu­tig gese­hen haben“, sagt Shara.

„Wir sind Zeu­gen eines fas­zi­nie­ren­den, aber rät­sel­haf­ten Phä­no­mens“, kom­men­tier­te Chia­ra Cir­cos­ta, eine ESA-For­schungs­sti­pen­dia­tin, die die Aus­wir­kun­gen von akkre­tie­ren­den super­mas­si­ven Schwar­zen Löchern auf die sie beher­ber­gen­den Gala­xien im fer­nen Uni­ver­sum unter­sucht. „Ich war von die­ser Ent­de­ckung sehr über­rascht. Sol­che detail­lier­ten Beob­ach­tun­gen von nahen Gala­xien sind wert­voll, um unser Ver­ständ­nis dar­über zu erwei­tern, wie Jets mit ihren Wirts­ga­la­xien inter­agie­ren und mög­li­cher­wei­se die Stern­ent­ste­hung beeinflussen.“

Die­se Leis­tung ist aus­schließ­lich den ein­zig­ar­ti­gen Fähig­kei­ten von Hub­ble zu ver­dan­ken. Die Bil­der boden­ge­bun­de­ner Tele­sko­pe sind nicht scharf genug, um die Novae tief im Inne­ren von M87 zu erken­nen. Sie kön­nen kei­ne Ster­ne oder stel­la­ren Aus­brü­che in der Nähe des Gala­xien­kerns auf­lö­sen, weil die Umge­bung des Schwar­zen Lochs viel zu hell ist. Nur Hub­ble kann Novae vor dem hel­len Hin­ter­grund von M87 erkennen.

Novae sind im Uni­ver­sum bemer­kens­wert häu­fig. Jeden Tag bricht irgend­wo in M87 eine Nova aus. Da es aber im gesam­ten sicht­ba­ren Uni­ver­sum min­des­tens 100 Mil­li­ar­den Gala­xien gibt, bre­chen jede Sekun­de irgend­wo da drau­ßen etwa eine Mil­li­on Novae aus.

ESA/Hubble/Webb Infor­ma­ti­on Centre

Hintergrundinformationen

Das Hub­ble-Welt­raum­te­le­skop ist ein Pro­jekt der inter­na­tio­na­len Zusam­men­ar­beit zwi­schen ESA und NASA.

Bild­nach­weis: NASA, ESA, J. Olm­sted (STScI)

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Wis­sen­schaft­li­ches Paper
Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Web­site
Ver­öf­fent­li­chung auf der ESA-Website

Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2411