Galaxienbrunnen in voller Pracht gesehen

Eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt liegt eine der massivsten Strukturen des Universums, eine riesige elliptische Galaxie, umgeben von einem weitläufigen Haufen anderer Galaxien, bekannt als Abell 2597. Im Kern der zentralen Galaxie treibt ein supermassives Schwarzes Loch das kosmische Äquivalent eines monumentalen Springbrunnens an, zieht riesige Lagerstätten von kaltem molekularem Gas an und spritzt sie in einem laufenden Kreislauf wieder heraus.

Astronomen haben lange Zeit die Theorie aufgestellt, dass Brunnen wie diese den sternförmigen Treibstoff einer Galaxie kontinuierlich zirkulieren lassen. Neue Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) Beobachtungen von Abell 2597 zeigen den ersten klaren und überzeugenden Beweis für das gleichzeitige Ein- und Ausströmen von Gas, das durch ein supermassives Schwarzes Loch angetrieben wird. Die Forscher berichten über ihre Beobachtungen in der neuesten Ausgabe des Astrophysical Journal.

„Das supermassive schwarze Loch im Zentrum dieser riesigen Galaxie wirkt wie eine mechanische Pumpe in einem Springbrunnen“, sagte Grant Tremblay, Astrophysiker am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, und Hauptautor auf dem Papier. „Dies ist eines der ersten Systeme, in denen wir klare Beweise dafür finden, dass sowohl der kalte molekulare Gaseinlass in Richtung des Schwarzen Lochs als auch der Ausfluss oder die Anhebung aus den Düsen, die das Schwarze Loch startet.“

Nach Ansicht der Forscher arbeitet dieses Gesamtsystem über einen selbstregelnden Rückführkreis. Das einfallende Material liefert Strom für den Springbrunnen, der in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs „abfließt“, wie Wasser, das in die Pumpe eines Springbrunnens eintritt. Dieses einfallende Gas bewirkt dann, dass sich das schwarze Loch bei Aktivität entzündet und Hochgeschwindigkeitsstrahlen aus überhitztem Material aussendet, die aus der Galaxie schießen. Während der Reise drückt dieses Material Gasbüschel und -bänder in den weitläufigen Halo der Galaxie aus, wo es schließlich wieder auf das Schwarze Loch regnet und den gesamten Prozess neu auslöst.

Insgesamt sind etwa drei Milliarden Sonnenmassen molekularen Gases Teil dieses Brunnens und bilden einen faserigen Nebel, der sich über die innersten 100.000 Lichtjahre der Galaxie erstreckt.

In einer früheren Studie der gleichen Autoren, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, konnten die Forscher die Verbindung zwischen dem Schwarzen Loch und dem galaktischen Brunnen überprüfen, indem sie die Region über einen Bereich von Wellenlängen oder Teilen des Spektrums beobachteten. Durch die Untersuchung der Position und Bewegung von Kohlenmonoxidmolekülen (CO) mit ALMA, die im Millimeterwellenlängenlicht hell leuchten, konnten die Forscher die Bewegung des Gases messen, das in Richtung Schwarzes Loch fällt.

Frühere Daten aus dem Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) auf dem Very Large Telescope (VLT) der ESO zeigten, dass warmes, ionisiertes Gas aus der Galaxie ausgestoßen wurde – im Wesentlichen die Feder des Brunnens. Die neuen ALMA-Beobachtungen fanden Büschel von kaltem, molekularem Gas an genau den gleichen Stellen wie das warme Gas in den früheren Beobachtungen.

„Der einzigartige Aspekt hier ist eine sehr detaillierte gekoppelte Analyse der Quelle mit Daten von ALMA und dem MUSE-Instrument. Die beiden Anlagen ergeben eine unglaublich starke Kombination“, sagt Tremblay. „ALMA enthüllte die Verteilung und Bewegungen der kalten molekularen Gaswolken, und MUSE tat dasselbe für das warme ionisierte Gas.“

Die ALMA- und MUSE-Daten wurden mit einer neuen, extrem tiefen Beobachtung des Clusters durch das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA kombiniert, die die heiße Phase dieses Brunnens in exquisiten Details aufdeckte, so die Forscher.

Die Beobachtungen stützen auch sehr überzeugend die Hypothese, dass die warmen ionisierten und kalten molekularen Nebel eins zu eins sind, wobei das warme ionisierte Gas lediglich die „Hülle“ um die kalten molekularen Kerne ist, die sich in diesem Brunnen im Galaxienmaßstab bewegen.

Dieser Multiwellenlängenansatz bietet ein ungewöhnlich vollständiges Bild dieses Systems. „Es ist, als würde man die Regenwolke, den Regen und die Pfütze gleichzeitig beobachten“, bemerkte Tremblay. Während dies nur eine Beobachtung einer Galaxie ist, spekulieren die Astronomen, dass sie einen Prozess beobachten könnten, der in Galaxien üblich und grundlegend für ihre Entwicklung ist.

Mehr Informationen:
G. R. Tremblay et al, A Galaxy-scale Fountain of Cold Molecular Gas Pumped by a Black Hole, The Astrophysical Journal (2018). DOI: 10.3847/1538-4357/aad6dd

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