Schwarze Löcher: keine Zerstörer, sondern Beschützer

Eine Studie ergab, dass Galaxien über einen regulatorischen Mechanismus ähnlich dem Herzen und der Lunge verfügen, der ihr Wachstum durch Begrenzung der Gasaufnahme steuert.

Dieser Mechanismus erfordert eine enorme Masse Schwarzes Loch Seine Jet-Emissionen verhindern, dass sich Galaxien zu schnell ausdehnen, was ihre Langlebigkeit sichert und verhindert, dass sie vorzeitig altern und sich in „Zombie“-Galaxien verwandeln.

Eine neue Studie legt nahe, dass Galaxien einen vorzeitigen Tod vermeiden, weil sie über ein „Herz und eine Lunge“ verfügen, die ihre „Atmung“ effektiv regulieren und verhindern, dass sie außer Kontrolle geraten.

Wäre dies nicht passiert, wäre das Universum viel schneller gealtert und alles, was wir heute sehen würden, wären riesige „Zombie“-Galaxien voller toter und sterbender Sterne.

Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die in veröffentlicht wurde Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, Darin wird eines der größten Geheimnisse des Universums untersucht – warum Galaxien nicht so groß sind, wie Astronomen erwarten.

Etwas scheint sein enormes Potenzial zu ersticken, indem es die Menge an Gas begrenzt, die es absorbiert, um sich in Sterne zu verwandeln. Das bedeutet, dass etwas im Inneren, anstatt ins Unendliche zu wachsen, der angeblich unvermeidlichen Schwerkraft widersteht.

Dieser Clip zeigt einen Hyperschallstrahl, der eine „balgartige Bewegung“ erzeugt, indem er Impulse vom „Herzen“ des Schwarzen Lochs empfängt, wodurch es sich „wie eine mit Luft gefüllte Lunge“ ausdehnt und zusammenzieht und „warme Luft ausstößt“ ( Druckwellen) in seine Umgebung. Diagrammachsen sind dimensionslose Abstandsmaße. Urheberrecht: C Richards/MD Smith/University of Kent

Eine Analogie von Herz und Lunge in Galaxien

Nun glauben Astrophysiker der University of Kent, das Geheimnis gelüftet zu haben. Sie vermuten, dass Galaxien ihre Wachstumsrate durch die Art und Weise steuern könnten, wie sie „atmen“.

In ihrer Analogie verglichen die Forscher das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie mit ihrem Herzen und den beiden Überschall-Dipolstrahlen aus Gas und Strahlung, die sie in die Atemwege abgeben, die die Lunge versorgen.

Die Impulse des Schwarzen Lochs – oder „Kerns“ – können Jet-Schockfronten auslösen, die entlang der beiden Achsen der Jets hin und her oszillieren, genau wie sich das Brustmembran des menschlichen Körpers in der Brusthöhle auf und ab bewegt, um beide aufzublasen und zu entleeren Lunge.

Dies könnte dazu führen, dass die Energie des Jets weitgehend in das umgebende Medium übertragen wird, genau wie wir warme Luft einatmen, was die Gasansammlung und das Wachstum der Galaxie verlangsamt.

Zwei verschiedene Beispiele, die eine Seite symmetrischer Dipoljets simulieren, bei denen sich Druckwellen durch das extragalaktische Medium ausbreiten. Hier werden die Druckschwankungen anhand einer roten Temperaturfarbskala dargestellt (dunkel = niedriger Druck, hell = hoher Druck). Jeder Strahl tritt von links mit einem Druck ein, der schnell abfällt, wenn er gegen das umgebende Medium gedrückt wird. Achsen sind dimensionslose Abstandsmaße. Urheberrecht: C Richards/MD Smith/University of Kent

Simulationserkenntnisse und galaktische Dynamik

Der Doktorand Carl Richards kam auf diese Theorie, nachdem er eine neue, noch nie zuvor erprobte Simulation erstellt hatte, um die Rolle zu untersuchen, die Überschalljets bei der Dämpfung des Galaxienwachstums spielen könnten.

Dazu gehörte, das „Herz“ des Schwarzen Lochs schlagen zu lassen und die Jets unter hohen Druck zu setzen – genau wie eine Form von Bluthochdruck, wenn wir es mit dem menschlichen Körper vergleichen.

Dies führte dazu, dass die Düsen „wie ein Blasebalg“ wurden und Schallwellen aussendeten, „wie Wellen auf der Oberfläche eines Teichs“, sagte er.

Dieses Phänomen ähnelt dem irdischen Äquivalent von Schall- und Stoßwellen, die beim Öffnen einer Flasche Champagner, beim Quietschen eines Autos, bei Raketenabgasen oder beim Durchstechen von Druckbehältern entstehen.

In diesem künstlerischen Eindruck erscheinen Schallwellen (Wellen) im heißen Gas, das den Perseus-Haufen füllt. Es wird angenommen, dass sie aus Hohlräumen entstanden sind, die von Jets eines supermassiven Schwarzen Lochs (heller weißer Fleck) im Zentrum der Galaxie ausgestoßen wurden. Urheberrecht: NASA/NASA/XC/M. Weiss

„Wir haben erkannt, dass es für die Jets eine Möglichkeit geben muss, das Objekt – das Gas, das die Galaxie umgibt – zu unterstützen, und das haben wir in unseren Computersimulationen herausgefunden“, sagte Richards.

„Das unerwartete Verhalten wurde deutlich, als wir Computersimulationen von Bluthochdruck und Herzschlag analysierten.

„Dadurch wurde ein Strom von Impulsen in die Hochdruckstrahlen geschickt, wodurch diese aufgrund der balgartigen Wirkung der oszillierenden Strahlstoßfronten ihre Form veränderten.“

Diese Hyperdruckstrahlen dehnten sich tatsächlich „wie mit Luft gefüllte Lungen“ aus, sagten die Forscher.

Dabei sendeten sie Schallwellen in Form einer Reihe von Druckwellen an die umgebende Galaxie, die dann nachweislich das Wachstum der Galaxie unterdrückten.

Fazit und Zukunftsaussichten

Es gibt einige Hinweise auf Wellen in extragalaktischen Medien, wie sie beispielsweise im nahegelegenen Perseus-Galaxienhaufen beobachtet werden, der mit massiven heißen Gasblasen verbunden ist, die als Beispiele für Schallwellen gelten.

Es wurde bereits angenommen, dass diese Wellen für die Erhaltung der Umgebung der Galaxie verantwortlich sind, obwohl es keinen Mechanismus gab, um sie zu erzeugen.

Daher sind herkömmliche kosmologische Simulationen nicht in der Lage, Gasströme in Galaxien zu erklären, was zu einem der größten Geheimnisse des Universums führt. Daher verlassen sie sich darauf, dass das hochaktive Schwarze Loch im galaktischen Kern einen gewissen Widerstand leistet.

Professor Michael Smith, der an der Studie beteiligt war, sagte: „Das ist nicht einfach, und wir haben Einschränkungen hinsichtlich der Art des Pulses, der Größe des Schwarzen Lochs und der Qualität der Lunge.“

„Zu schnelles oder zu langsames Atmen wird nicht die lebenswichtigen Schwingungen erzeugen, die nötig sind, um das galaktische Zentrum aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Kern mit Energie zu versorgen.“

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Lebensdauer der Galaxie mithilfe ihres „Herzens und ihrer Lunge“ verlängert werden könnte, da der supermassive Motor des Schwarzen Lochs in seinem Kern dazu beiträgt, das Wachstum zu hemmen, indem er die Menge an Gas begrenzt, die bereits in einem frühen Stadium zu Sternen kollabiert.

Sie sagen, dass dies dazu beigetragen hat, die Galaxien zu erschaffen, die wir heute sehen.

Ohne einen solchen Mechanismus hätten die Galaxien bis dahin ihren Treibstoff erschöpft und wären verschwunden, wie es manche als „rot tote“ oder „Zombie“-Galaxien tun.

Referenz: „Simulating Pulsed Over Pressure Jets: Bellows Formation and Ripples in Galactic Environments“ von Carl Richards und Michael D. Smith, 12. Juli 2024, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae1498