Wie supermassereiche Schwarze Löcher nach Jahrmillionen wieder erwachen

Ein schlafender Riese im Kern jeder Galaxie

Fast jede große Galaxie beherbergt in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch – ein Objekt mit der Millionen- oder sogar Milliardenfachen Masse der Sonne. Meistens sind diese Schwarzen Löcher inaktiv und ruhen still im Dunkeln. Wenn jedoch frisches Gas und Staub in ihre gravitative Reichweite gelangen, kann ein schlafendes Schwarzes Loch wieder zum Leben erwachen und zu dem werden, was Astronomen einen aktiven galaktischen Kern (AGN) nennen. Die daraus resultierenden Ausbrüche gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum.

Was den Motor anwirft

Ein supermassereiches Schwarzes Loch erwacht, wenn es Zugang zu neuem Treibstoff erhält. Galaxienverschmelzungen, Gezeitenwechselwirkungen mit nahegelegenen Galaxien oder einfache gravitative Trichterung können Gasströme zum galaktischen Zentrum leiten. Wenn dieses Material nach innen spiralförmig wandert, bildet es eine sich schnell drehende Akkretionsscheibe – eine überhitzte Scheibe aus Gas und Staub, die Temperaturen von Millionen von Grad erreichen kann.

Die Reibung zwischen den Teilchen in der Scheibe wandelt Gravitationsenergie mit außergewöhnlicher Effizienz in Strahlung um. Laut NASA kann die Akkretion 10 bis über 40 Prozent der Masse eines Objekts in Energie umwandeln und damit die Kernfusion mit ihren etwa 0,7 Prozent in den Schatten stellen. Diese Effizienz ist der Grund, warum ein einzelner AGN seine gesamte Wirtsgalaxie überstrahlen kann, und zwar um das 100- bis 1.000-fache.

Jets, die sich über eine Million Lichtjahre erstrecken

Nicht alles einströmende Material verschwindet hinter dem Ereignishorizont. Starke Magnetfelder in der Nähe des Schwarzen Lochs leiten einen Teil des überhitzten Plasmas in zwei relativistische Jets – schmale Materie- und Energiestrahlen, die entlang der Spinachse des Schwarzen Lochs mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden. Diese Jets können sich Hunderttausende von Lichtjahren in den intergalaktischen Raum erstrecken und riesige Hohlräume im umgebenden Gas formen.

Astronomen klassifizieren AGN in verschiedene Familien, basierend auf dem Blickwinkel und der Leuchtkraft. Seyfertgalaxien sind relativ nahe und bescheiden. Quasare sind weitaus leuchtstärker und entfernter. Blazare sind Quasare, deren Jets zufällig direkt auf die Erde zeigen, wodurch sie außergewöhnlich hell erscheinen.

Warum sich Schwarze Löcher ein- und ausschalten

Die AGN-Aktivität ist nicht von Dauer. Sobald ein Schwarzes Loch die Gaszufuhr in seiner unmittelbaren Umgebung erschöpft hat, dünnt sich die Akkretionsscheibe aus, die Jets verblassen und der Kern wird ruhig – manchmal für zig Millionen Jahre. Wenn schließlich eine frische Gaszufuhr eintrifft, beginnt der Zyklus von neuem. Astronomen nennen dieses Muster episodische AGN-Aktivität, und das Intervall zwischen den Eruptionen wird als Jet-Duty-Cycle bezeichnet.

Studien an sogenannten Double-Double-Radiogalaxien – die verschachtelte Paare von Radioloben aus aufeinanderfolgenden Eruptionen zeigen – zeigen, dass Ruhephasen zwischen etwa 100.000 und 100 Millionen Jahren dauern können. Diese fossilen Lappen wirken wie geologische Schichten, die es Forschern ermöglichen, die Eruptionsgeschichte eines Schwarzen Lochs zu rekonstruieren.

Ein kürzlicher kosmischer Weckruf

Ein anschauliches Beispiel ist die Galaxie J1007+3540, in der ein supermassereiches Schwarzes Loch seine Jets nach etwa 100 Millionen Jahren Stille wieder gestartet hat. Beobachtungen mit dem LOFAR-Radio-Array in den Niederlanden und dem Giant Metrewave Radio Telescope in Indien zeigten einen kompakten, hellen inneren Jet, der in älteren, verblassten Plasmastrukturen eingebettet ist, die sich fast eine Million Lichtjahre erstrecken. Die leitende Forscherin Shobha Kumari beschrieb die Szene als "wie die Beobachtung eines kosmischen Vulkans, der nach Äonen der Ruhe wieder ausbricht."

Da sich J1007+3540 in einem massiven Galaxienhaufen befindet, der mit extrem heißem Gas gefüllt ist, werden die neu gestarteten Jets durch den äußeren Druck verbogen und verzerrt – was Wissenschaftlern eine seltene Gelegenheit gibt, zu untersuchen, wie Jets in Echtzeit mit ihrer Umgebung interagieren.

Warum es für die Galaxienentwicklung wichtig ist

AGN-Feedback ist einer der Schlüsselmechanismen, die das Wachstum von Galaxien regulieren. Jets und Winde, die von aktiven Schwarzen Löchern ausgestoßen werden, erwärmen das umgebende kalte Gas und unterdrücken vorübergehend die Sternentstehung in der gesamten Wirtsgalaxie. Ohne diese Bremse würden Simulationen zufolge Galaxien weitaus mehr Sterne bilden, als Astronomen tatsächlich beobachten. Das Verständnis des Duty-Cycles der AGN-Aktivität trägt daher dazu bei, zu erklären, warum Galaxien so aussehen, wie sie aussehen – und wie sich die größten kosmischen Strukturen über Milliarden von Jahren entwickeln.