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  Aktuelle Forschung :: August 2007 Zur Übersicht

Der Zusammenhang zwischen Sternentstehung und dem Wachstum von schwarzen Löchern in lokalen Galaxien

Eines der größten Rätsel der modernen Astrophysik ist die Ursache der beobachteten Korrelation zwischen der Masse von schwarzen Löchern und der Masse der Bulges (der zentralen, spheroidalen Komponente) der Galaxien in denen sie leben. Offensichtlich haben schwarze Löcher und Galaxien-bulges eine gemeinsame Entwicklungsgeschichte, aber was ist diese Geschichte und warum haben sie sie gemeinsam? Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) haben den Sloan Digital Sky Survey (SDSS) verwendet, um die jüngste Sternentstehungsgeschichte in Galaxien-bulges im lokalen Universum zu untersuchen und diese mit den momentanen Wachstumsraten der zugehörigen schwarzen Löcher zu vergleichen.

Abb. 1: Durch die statistische Analyse der Spektren von Galaxien-bulges haben Astronomen neue Parameter identifiziert, die die jüngste Sternentstehungsgeschichte von Galaxien quantifizieren. Galaxien mit verschiedenen Sternentstehungsgeschichten befinden sich in verschiedenen Bereichen des Diagramms wie angegeben. Die Farben geben die Akkretionsrate des schwarzen Loches im Zentrum der Galaxie an. Rot bedeutet starke, violett schwache Akkretion. Die schwarzen Punkte stehen für die Positionen der Galaxien dessen schwarze Löcher die höchsten Akkretionsraten aufweisen. Diese Galaxien liegen tatsächlich nicht alle im Bereich derjenigen Galaxien, die gerade einen Ausbruch von Sternentstehung durchlaufen oder durchliefen, wie es von manchen Theorien vorhergesagt wird.

Abb. 2: Bilder von Galaxien aus dem Sloan Digital Sky Survey, die von den Wissenschaftlern als solche identifiziert wurden, die kürzlich einen starken Ausbruch von Sternentstehung in ihrem zentralen Bulge durchlaufen haben. Man beachte die Ausläufer von Sternen um die Hauptgalaxie, die Staubschichten und die Asymmetrie der Galaxien in einigen Bildern: Dies sind Anzeichen eines jüngsten gravitativen Auseinanderreißens der Galaxie, was wahrscheinlich durch ein Zusammentreffen mit einer anderen Galaxie verursacht wurde. Die Größe der Bilder beträgt 1'x1' und der Kreis in der linken oberen Ecke gibt die Größe des Bereiches an über welchen die Spektren aufgenommen wurden, d.h. für welchen die Sternentstehungsgeschichten bestimmt wurden.

Heute vermutet man dass sich im Zentrum jeder massiven Galaxie im lokalen Universum ein supermassives schwarzes Loch befindet. Durch Beobachtungen hat man herausgefunden, dass dieses schwarze Loch etwa 0.1% der Masse des Bulges ausmacht, wobei die Größe der Galaxie keine Rolle spielt (linkPfeil.gif Aktuelle Forschung April 2005). Es gibt viele Theorien um diese Korrelation zu erklären, angefangen bei der Vermutung dass sich die gesamte Masse des schwarzen Loches und des Bulges am Anfang des Lebens der Galaxie schnell aufgebaut hat, bis hin zur Theorie eines stetigen Aufbaus beider durch langsame Akkretion von Gas in den Bulge der Galaxie, was Sternbildung und infolgedessen das Wachstum des schwarzen Loches bewirkt (linkPfeil.gif Aktuelle Forschung Februar 2005).

Beobachter erhalten Hinweise auf wachsende schwarze Löcher in Form von Emissionslinien hoch angeregter Ionen aus dem Gas das das schwarze Loch umgibt (bei Seyfert Galaxien und sogenannten liners), oder durch Streulicht das direkt von der Akkretionsscheibe um das schwarze Loch herrührt (bei Quasaren). Diese Objekte nennt man aktive Galaxienkerne (AGN). Einen guten Schätzwert für die Wachstumsrate des schwarzen Loches liefert im optischen Wellenlängenbereich insbesondere die [OIII]-Emissionslinie (linkPfeil.gif Aktuelle Forschung Juli 2004). Um diese Information über das Wachstum des schwarzen Loches mit der jüngsten Sternentstehungsgeschichte von Galaxien in Verbindung zu bringen, haben Vivienne Wild, Guinevere Kauffmann und Tim Heckman (John Hopkins University, USA) eine neue Methode entwickelt, die auf einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) der Galaxienspektren basiert. Durch die Kombination der Information aller Pixel des Galaxienspektrums ermöglicht es diese Methode, noch nützliche Informationen aus Spektren zu erhalten, die von viel geringerer Qualität sind als es für bisherige Methoden nötig war.

Mit ihrer neuen Methode haben die Wissenschaftler die jüngste Sternentstehungsgeschichte von ca. 33000 bulge-dominierten Galaxien geringer Rotverschiebung aus dem SDSS bestimmt. Da diese Galaxien uns nahe sind, stammen die beobachteten Spektren nur aus ihren Zentren, so dass sich die aus ihnen bestimmten jüngsten Sternentstehungsgeschichten nur auf den Bulge der Galaxien bezieht. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die Bulges der Galaxien in drei Klassen einteilen lassen: (1) Diejenigen die keine Anzeichen jüngster Sternentstehung haben (55%); (2) Diejenigen die kürzlich einen Ausbruch von Sternentstehung durchlaufen haben, wobei die Masse der dabei entstandenen Sterne mehr als ca. 1% der Masse des Bulges beträgt (4%); (3) Diejenigen die zwar Sternentstehung aufweisen, aber keine Anzeichen eines starken kürzlichen oder anhaltenden Ausbruches von Sternentstehung haben (39%). Die Wissenschaftler haben auch herausgefunden dass, obwohl fast die Hälfte aller AGNs in Bulges der ersten Klasse zu finden sind, die schwarzen Löcher in diesen Bulges nur extrem langsam wachsen. Tatsächlich wird das Wachstum schwarzer Löcher im lokalen Universum dominiert (>60%) von denjenigen schwarzen Löchern die sich in Bulges der dritten Klasse befinden - die zwar Sternentstehung aber keine kürzlichen oder anhaltenden Ausbrüche von Sternentstehung aufweisen. Dies widerspricht neuen Theorien, nach denen die gleichzeitige Massenzunahme des schwarzen Loches und des Bulges davon herrührt, dass massive Galaxien miteinander verschmelzen und das schwarze Loch und der Bulge dadurch in kurzer Zeit gebildet werden.

Die 4% der Bulges, die kürzlich einen starken Ausbruch von Sternentstehung durchlaufen haben, zeigen jedoch Anzeichen einer jüngsten Störung - lange Ausläufer die von Gezeitenkräften hervorgerufen werden, übermäßige Asymmetrie in ihrer Helligkeitsverteilung und die Tatsache dass frühere Ausbrüche in kompakteren Galaxien stattgefunden haben. Die Wahrscheinlichkeit dass diese Bulges ein stark akkretierendes schwarzes Loch beherbergen ist mehr als doppelt so gross wie für Galaxien mit normaler Sternentstehungsrate.


Vivienne Wild

Veröffentlichung

Vivienne Wild, Guinevere Kauffmann, Tim Heckman, Stephane Charlot, Gerard Lemson, Jarle Brinchmann, Tim Reichard, Anna Pasquali,
"Bursty Stellar populations and obscured AGN in galaxy bulges",
Mon. Not. R. Astron. Soc., accepted, (2007) linkPfeilExtern.gifarXiv0706.3113


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Letzte Änderung: 30.7.2007