Astronomieforscher haben jahrzehntelang erwartete Beweise dafür vorgelegt, dass Sagittarius A*, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, einen Materialstrom aussendet, der beispiellose Details über seine Interaktion mit dem Kosmos ans Licht bringt.
Nach einer jahrzehntelangen Untersuchung wurden Hinweise auf einen diskreten, aber konstanten Materiefluss aus dem Herzen unserer Galaxie gefunden.
In unserem Verständnis des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße fehlte ein Teil. Seit mehr als fünfzig Jahren suchen Wissenschaftler nach einem charakteristischen Wind, der theoretischen Prognosen zufolge von Sagittarius A* (Sgr A*) ausgehen soll, der gigantischen Singularität, die im Kern unserer Galaxie verborgen ist. Doch trotz Verbesserungen der Ausrüstung und unzähliger Analysen blieb diese erwartete Bewegung aus.
Derzeit haben Experten der Northwestern University die Entdeckung dieses Phänomens bekannt gegeben, was eine beispiellose Perspektive auf die Funktionsweise des rätselhaften Zentrums unserer Galaxie bietet.
Das Geheimnis des Sagittarius A* Flow nach fünf Jahrzehnten lüften
Durch die detaillierteste visuelle Darstellung der Umgebung von Sgr A*, die jemals aufgezeichnet wurde, ist es dem Forschungsteam gelungen, eines der hartnäckigsten Probleme der Astronomie zu lösen. Die Ergebnisse erweitern auch das Wissen über die physikalische Dynamik im galaktischen Zentrum.
Die Ergebnisse der Untersuchung wurden in der renommierten Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Mark Gorski von der Northwestern University und Co-Leiter der Studie erklärte, dass „ein Schwarzes Loch eine Art Strömung aussenden muss, es sei denn, es befindet sich in einem absoluten Vakuum, das im Universum nicht existiert.“ Er fügte hinzu: „Dank der neuen Beobachtungen haben wir zum ersten Mal genügend Klarheit erreicht, um die Beweise für diesen Fluss zu identifizieren. Durch die Analyse der Daten haben wir bestätigt: ‚Das ist es. Was vor 50 Jahren alle gesucht haben, ist hier.‘“
Elena Murchikova, die neben Gorski auch die Forschung leitete, betonte: „Wir konnten zunächst nachweisen, dass das molekulare Gas, das sich extrem nahe am Schwarzen Loch befindet, es liefert.“ Sie betonte auch, dass „der Fluss keine große Intensität aufweist und seine Ausrichtung sich im Laufe der Zeit tendenziell ändert. Diese Tatsache zeigt, dass Sagittarius A* kein singuläres Phänomen ist und dass sich die Position der Erde im Kosmos auch nicht durch Exklusivität auszeichnet.“
Der Einfluss von Schwarzlochströmen auf die Entstehung von Galaxien
Mark Gorski ist wissenschaftlicher Assistenzprofessor am Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) der Northwestern University, wo er sich bei seinen Studien auf die galaktische Evolution konzentriert. Elena Murchikova wiederum ist eine Expertin auf dem Gebiet der Astrophysik Schwarzer Löcher, unterrichtet Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences derselben Institution und ist außerdem Mitglied von CIERA.
Trotz ihres Rufs, alles um sich herum anzuziehen, haben Schwarze Löcher auch die Fähigkeit, Materie auszustoßen. Seit mehreren Jahren prognostiziert die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass aktive Schwarze Löcher hochenergetische Ströme freisetzen würden. Wenn das Gas spiralförmig nach innen gezogen wird, erreicht es Geschwindigkeiten, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommen. Diese Beschleunigung erzeugt genug Energie und Druck, um einen Teil dieses Materials entweder in Form von Winden oder starken Jets zurück in den Weltraum zu schleudern.
Obwohl es Aufzeichnungen über frühere Eruptionsereignisse von Sgr A* gab, war der Beweis eines ununterbrochenen Flusses schwer zu finden. Das Northwestern-Team vermutet, dass diese Schwierigkeit auf den aktuellen Zustand des Schwarzen Lochs zurückzuführen ist, das sich in einer Phase relativer Ruhe befindet und daher bekanntermaßen schwierig zu entdecken ist.
Murchikova erklärte: „Um unser eigenes Schwarzes Loch zu untersuchen, müssen wir die Ebene der Galaxie durchqueren.“ Sie führte aus: „Dabei muss man durch eine dichte Schicht aus Gas, Staub und ionisierten Strukturen hindurch beobachten, was die Visualisierung zu einer erheblichen Herausforderung macht.“
Das ALMA-Teleskop bietet die klarste Beobachtung des galaktischen Kerns
Kurz gesagt, Verbesserungen der Beobachtungsmethoden ermöglichten es den Forschern, das Gebiet mit einem beispiellosen Maß an Präzision zu untersuchen. Basierend auf fünf Jahren eingehender Beobachtungen, die vom Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chile durchgeführt wurden, konnten Gorski und Murchikova die bisher detaillierteste Darstellung des kalten molekularen Gases rund um Sagittarius A* erstellen.
Das in dem neuen Bild aufgezeichnete Gas befindet sich nur einen Parsec, das entspricht etwa drei Lichtjahren, vom Schwarzen Loch entfernt. Nachdem das Team mithilfe einer Kalibrierungsmethode die intensiven Radioemissionen des Objekts eliminiert hatte, entwickelte es eine Kartierung, die im Vergleich zu früheren Darstellungen hundertmal tiefer und achtzigmal schärfer war. Diese verbesserte Perspektive brachte bisher ungesehene Formationen ans Licht.
Ein neu entdeckter Aspekt erregte sofort die Aufmerksamkeit des Teams. Wissenschaftler identifizierten einen ausgedehnten konischen Hohlraum mit einer Länge von fast einem Parsec (etwa drei Lichtjahre) und einer Öffnung von 45 Grad, in dem sich kein kaltes molekulares Gas befand. Die plausibelste Schlussfolgerung war die Existenz einer heißen Strömung, die von Sgr A* ausgeht. Während dieser Strom durch den Bereich strömt, verdrängt er das kalte Gas oder erhitzt es auf ein Niveau, das eine Erkennung unmöglich macht.
Gorski erklärte: „Wenn ein Schwarzes Loch heißes Material ausstößt, vermischt es sich nicht mit dem kalten Material. Es stößt es weg oder erhöht es auf eine Temperatur, die es unsichtbar macht. Wenn die Temperatur zu hoch ist, verschwindet das kalte Gas einfach aus der Beobachtung.“
Riesiger konischer Hohlraum bestätigt die Aktivität eines zentralen Schwarzen Lochs
Obwohl Sterne auch ihre eigenen Winde erzeugen, stellte das Forscherteam fest, dass diese isolierten Sternströme nicht in der Lage wären, ein so großes, ungehindertes Gebiet zu formen. Für diesen Effekt würde nicht einmal die Summe der von benachbarten Sternen freigesetzten Energie ausreichen.
Gorski beschrieb das Gebiet als „eine erhebliche Abwesenheit von Materie“. Er fügte hinzu: „Wir haben die Energiemenge geschätzt, die zur Bildung dieses Hohlraums erforderlich ist, und der Wert übersteigt die Versorgungskapazität der Sterne in der Region. Daher ist es unbedingt erforderlich, dass das supermassive Schwarze Loch einen Beitrag leistet. Darüber hinaus zeigt die konische Form des Hohlraums direkt auf das Schwarze Loch.“
Bevor die Wissenschaftler ihre Ergebnisse veröffentlichten, suchten sie nach einer zusätzlichen Validierung. Sie verglichen ihre eigenen Ergebnisse mit früheren Aufzeichnungen des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA, das am selben Ort intensive Röntgenemissionen identifiziert hatte. Die Chandra-Daten zeigten eine genaue Übereinstimmung mit dem in den ALMA-Analysen entdeckten gasfreien Hohlraum.
Gorski erklärte, dass „außergewöhnliche Behauptungen ebenso bemerkenswerte Beweise erfordern“. Er fuhr fort: „Unser Ziel war es sicherzustellen, dass wir nicht mit einem einfachen Fehler im Bild konfrontiert wurden. Daher ergänzte Chandras Röntgendarstellung unsere Analyse einwandfrei und bestätigte die Korrelation molekularer Merkmale.“
Röntgenbeobachtungen von Chandra bestätigen neue Entdeckung
Murchikova enthüllte, dass „wenn man mit etwas Neuem konfrontiert wird, die erste Reaktion nicht darin besteht, zu denken: ‚Wie unglaublich, wir haben eine Entdeckung gemacht‘“. Im Gegenteil, sie beschrieb den ersten Gedanken als „‚Oh mein Gott, was stimmt mit meiner Methodik nicht?‘“. Sie kam jedoch zu dem Schluss, dass „als unser Bild dem Röntgenbild überlagert wurde, alle Elemente ausgerichtet waren und das Verständnis deutlich wurde.“
Unter Berücksichtigung des Ausmaßes des Einflusses der Strömung auf einen nahe gelegenen Strom ionisierten Gases schätzt das Team, dass diese Emission seit mindestens 20.000 Jahren aktiv ist. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Sgr A* im Vergleich zu einer großen Anzahl anderer supermassereicher Schwarzer Löcher in verschiedenen Galaxien relativ ruhig ist.
Murchikova betonte, dass die meisten Schwarzen Löcher in anderen Galaxien die meiste Zeit ihrer Existenz in einem Zustand geringer Aktivität bleiben, „aber wir können sie oft nur dann untersuchen, wenn sie ihre höchste Energie haben.“ Sie fügte hinzu: „Es ist äußerst wichtig, Schwarze Löcher in diesem Zustand der geringsten Aktivität zu untersuchen, auch wenn dies nicht der am häufigsten beobachtete Zustand ist. Sagittarius A* bietet uns nun eine beispiellose Gelegenheit, die Dynamik eines Schwarzen Lochs während seiner Ruhephase zu verstehen, ein Verhalten, das bisher kaum dokumentiert wurde.“