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Phasen der Verschmelzung zweier Galaxien mit zentralen Schwarzen
Löchern. Von oben nach unten zeigen die Bilder der Sequenz das Gas
zweier kollidierender Spiralgalaxien. Nach der ersten Begegnung
entfernen sich diese zunächst wieder, um dann bei einer zweiten
Begegnung und anschließenden Verschmelzung zusammenzufallen. Die
Schwerkraft treibt dabei Gas ins Zentrum der Galaxienkerne und führt
zur Bildung ausgedehnter Gezeitenarme. In der Quasar-Phase gewinnen
die Schwarzen Löcher stark an Masse. Diese Phase dauert bis zu 100
Millionen Jahre und setzt genügend Energie frei, um das Gas
aufzuheizen und in den Raum zu schleudern. Zurück bleibt eine
elliptische Galaxie (deren Sterne nicht gezeigt sind), die kaum noch
Gas enthält und in deren Zentrum die beiden Schwarzen Löcher
verschmolzen sind.
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Bitte klicken Sie auf das Bild, um den Film zu starten.
Dieser Film zeigt den gesamten Prozess der Galaxienverschmelzung, welcher
etwa 2 Milliarden Jahre dauert. Nur die Gasverteilung ist gezeigt,
wobei die Helligkeit mit der Dichte zunimmt und die Farbtönung die
Gastemperatur anzeigt (von blau/kalt bis gelb/heiss). Der Film ist
hochaufgelöst (20MB, 1024x768 Bildpunkte) und setzt das divx/MPEG-4
Codec zum Abspielen voraus, welches bei Bedarf unter
http://www.divx.com für Windows, Apple und Linux Platformen kostenlos
erhältlich ist.
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In den heutigen Vorstellungen über die Entstehung von galaktischen
Sternsystemen spielen Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien
eine entscheidende Rolle. Dadurch sind im Laufe der Zeit immer größere
Galaxien mit veränderter Gestalt entstanden - aus verschmelzenden
Spiralgalaxien entwickelten sich elliptische Galaxien. Doch die
jüngste Entdeckung superschwerer Schwarzer Löcher im Zentrum von
Galaxien gibt den Forschern neue Rätsel auf. So ist nicht klar, wieso
die Masse Schwarzer Löcher mit der Größe der kugelförmigen
Zentralregion einer Galaxie korreliert ist. Sind Schwarze Löcher also
nur eine interessante Randerscheinung bei der Entstehung von Galaxien
oder bestimmen sie diesen Prozess gar in ganz entscheidender Weise?
Antworten auf diese Fragen können komplexe Computersimulationen
liefern, die sowohl die gravitative Dynamik einzelner Galaxien als
auch wesentliche Aspekte der Physik der Sternentstehung und des
Wachstums von Schwarzen Löchern berücksichtigen. Tiziana Di Matteo und
Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und Lars
Hernquist von der Harvard Universität haben dazu neue Wege der
numerischen Modellierung beschritten: Sie repräsentieren das
superschwere Schwarze Loch erstmals mit einem Simulationsteilchen, das
aus seiner Umgebung Gas aufsaugen kann, und zwar mit einer Rate, die
aus einer einfachen theoretischen Modellbildung abgeleitet ist. Auf
diese Weise ist es möglich, ganze Galaxien gleichzeitig mit den darin
enthaltenen und wachsenden Schwarzen Löchern zu simulieren.
Aufgrund von Reibung in den Strömungen um Schwarze Löcher herum wird
das einfallende Gas auf enorme Temperaturen aufgeheizt und gibt
dadurch energiereiche Strahlung ab. Tatsächlich werden etwa 10 Prozent
der gesamten Ruheenergie (E = mc2) des Gases freigesetzt, bevor es
selbst im Ereignishorizont des Schwarzen Lochs verschwindet. Hierbei
handelt es sich um riesige Energiemengen, die supermassive Schwarze
Löcher zu wahren Monstern machen, den stärksten bekannten
Energiequellen im Universum überhaupt. Während ein Großteil der
energiereichen Strahlung aus dem Zentrum der Galaxie entkommt, heizt
ein kleinerer Teil das Gas in der größeren Umgebung des Schwarzen
Lochs auf. Das Team um Dr. Di Matteo nimmt an, dass etwa 5 Prozent der
Strahlung zu dieser Heizung beitragen.
Die Simulationen haben nun gezeigt, dass diese Energie das
Verschmelzen von Spiralgalaxien wesentlich beeinflusst. Kollidieren
die Galaxien, so treiben gravitative Gezeitenkräfte diffus verteiltes
Gas in ihr Zentrum. Dort wird es solange verdichtet, bis es zu einem
intensiven Ausbruch der Sternbildung kommt, einem Starburst. Dabei
"füttert" das einströmende Gases auch das im Zentrum sitzende
superschwere Schwarze Loch, das dadurch rasch an Masse gewinnt. Die
dabei wiederum freigesetzte Energie heizt das umgebende Gas stark
auf. Die Abbildung zeigt Verteilung und Temperatur des Gases in
verschiedenen Phasen der Verschmelzung zweier Galaxien mit
Milchstraßengröße. Je schwerer das Schwarze Loch, desto schneller
wächst es, so dass auch die Rate, mit der Energie freigesetzt wird,
rasch ansteigt. Das Zentrum der Galaxie leuchtet dabei als
Quasar. Doch schließlich wird der Druck in dem aufgeheizten Gas zu
groß - ein mächtiger Wind entsteht, der das noch in der Galaxie
vorhandene Gas aus ihrem Zentrum schleudert und damit die Quasar-Phase
und die Sternentstehung abrupt beendet.
Tiziana Di Matteo, Volker Springel und Lars Hernquist haben eine ganze
Serie von Kollisionen von unterschiedlich großen Galaxien
untersucht. Sie zeigen, dass in größeren Galaxien immer mehr Gas für
die "Fütterung" eines Schwarzen Lochs zur Verfügung steht und das
Gravitationspotential, in dem das Gas gebunden ist, tiefer wird, so
dass die Schwarzen Löcher zu immer größeren Massen anwachsen müssen,
bevor ihre freigesetzte Energie ausreicht, um die Quasaraktivität
durch Herausschleudern des Gases zu stoppen. Das Wachstum erweist sich
somit als ein sich selbst begrenzender Prozess, der zudem mit der
gleichzeitigen Entstehung der kugelförmigen Sternpopulation im Zentrum
der Galaxie verknüpft ist: Zwischen der Größe dieser Sternpopulation
und der Masse des Schwarzen Lochs in dem Verschmelzungsprodukt besteht
also ein direkter Zusammenhang. Ein Vergleich mit astronomischen
Meßdaten zeigt, dass diese ersten selbstkonsistenten Simulationen für
das Wachstum von Schwarzen Löchern die wichtigsten Beobachtungsdaten
bereits mit bemerkenswerter Übereinstimmung reproduzieren.
Diese Ergebnisses sind für das Standardmodell der hierarchischen
Galaxienentstehung sehr weitreichend: Die Aktivität eines Schwarzen
Lochs hat also große Auswirkungen auf seine Wirtsgalaxie, da es zuerst
die Entstehung von Sternen während der Galaxienverschmelzung fördert
und diese später durch das Aufheizen des Gases wieder begrenzt. So
sind die entstehenden elliptischen Galaxien verhältnismäßig arm an Gas
und bilden kaum noch Sterne; ihre Sternpopulationen altern daher
schnell und entwickeln jene roten Spektralfarben, wie man sie in
vielen massereichen elliptischen Galaxien heute beobachten kann. Ohne
den Einfluss der Schwarzen Löcher konnte man die Farben dieser "toten"
elliptischen Galaxien bisher nicht befriedigend erklären.
Galaxienentstehung und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher
erscheinen also als ein eng verzahnter Vorgang, der in theoretischen
Modellen künftig als eine Einheit behandelt werden
muss. Hydrodynamische Computersimulationen sind eines der
vielversprechendsten Mittel, um weitere Einsichten in diese
Verknüpfung zu gewinnen.
Tiziana Di Matteo, Volker Springel, Lars Hernquist
Originalveröffentlichung:
Tiziana Di Matteo, Volker Springel, Lars Hernquist:
Energy input from quasars regulates the growth and activity of black
holes and their host galaxies,
Nature, 10 February 2005
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