Kalte Quasare und die Entwicklung von Galaxien

Quasare – quasi-stellare Radioquellen – sind die leuchtkräftigsten Objekte im Universum, deren energiereiche Strahlung durch den Materieeinfall in das massereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie erzeugt wird. Die daraus resultierende Strahlung ist so intensiv, dass sie das freie Gas, welches noch nicht zu Sternen und Planeten geworden ist, wegbläst und damit jede weitere Entstehung von Sternen in dieser Galaxie unterbindet - so die gängige Meinung. Jetzt haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit SOFIA eine Galaxie entdeckt, in der die Sternentstehung immer noch mit einer Rate von etwa 100 Sonnenmassen pro Jahr anhält, obwohl im Inneren das Schwarze Loch stark aktiv ist. Die Ergebnisse wurden jetzt im Astrophysical Journal publiziert.

Künstlerische Darstellung der Galaxie CQ4479 in deren Zentrum ein Quasar wütet. Mit SOFIA wurde beobachtet, dass das kalte Gas (dargestellt in braun) in dieser Galaxie der enormen Strahlungsenergie dieses Quasars zumindest eine Zeit lang wiederstehen kann, so dass immer noch Sterne mit einer Rate von 100 Sonnenmassen pro Jahr entstehen (dargestellt in blau). Copyright: NASA, Daniel Rutter

„Das zeigt uns, dass aktive Schwarze Löcher die Geburt von Sternen nicht unmittelbar beenden, was allerdings den aktuellen wissenschaftlichen Annahmen widerspricht“, sagte Allison Kirkpatrick, Juniorprofessorin an der University of Kansas und Co-Autorin dieser Studie. „Wir müssen die Theorien, wie sich Galaxien entwickeln, neu überdenken.“
Kirkpatrick hat die Galaxie CQ4479 in 5,25 Milliarden Lichtjahren Entfernung kürzlich entdeckt und festgestellt, dass sich in ihrem Zentrum ein spezieller sogenannter „kalter Quasar“ befindet. Das aktive Schwarze Loch von CQ4479 ernährt sich von seiner Heimatgalaxie, hat aber noch nicht das gesamte kalte Gas verschlungen, so dass weiterhin Sterne gebildet werden. Damit ist es den Forschern und Forscherinnen zum ersten Mal gelungen, einen detaillierten Einblick in einen „kalten Quasar“ zu bekommen und das Wachstum des Schwarzen Lochs, die Geburtenrate von Sternen und die Menge des restlichen kalten Gases zu messen.
„Wir waren überrascht, eine weitere skurrile Galaxie zu sehen, die sich den gängigen Theorien widersetzt“, äußert sich Kevin Cooke, Postdoktorand an der University of Kansas und Erstautor der Veröffentlichung. "Wenn sich dieses Tandemwachstum fortsetzen würde, hätte sich am Ende sowohl die Masse des Schwarzen Lochs als auch die Menge der umgebenden Sterne verdreifacht.“

Quasare sind die hellsten und fernsten beobachtbaren Objekte in unserem Universum und daher sehr schwer zu untersuchen. Sie bilden sich, wenn aktive Schwarze Löcher immer mehr Materie aus ihrer Heimatgalaxie konsumieren. Dabei entstehen große Gravitationskräfte, die Materie kreist immer schneller um das Schwarze Loch, verliert durch Reibung bzw. Kollisionen Energie und wird letztendlich verschluckt. Dabei wird die Materie so stark erhitzt, dass sie hell leuchtet. Ein Quasar emittiert so viel Energie, dass seine Strahlkraft die der gesamten Galaxie übersteigt. Nach derzeitigen Theorien, wird das kalte Gas, das für die Entstehung neuer Sterne notwendig ist, durch diese starke Strahlung aus der Galaxie geblasen und somit die Entstehung weiterer Sterne beendet. Mit SOFIA ist es nun geglückt, die relativ kurze Zeitspanne zu untersuchen, in der die Sternentstehungsphase der Wirtsgalaxie den vernichtenden Kräften des Quasars trotzt.

Dazu hat SOFIA die infrarote Strahlung des Staubs detektiert, der durch den Prozess der Sternentstehung erwärmt wird. Das Team um Kevin Cooke und Allison Kirpatrick hat hierfür Messungen mit der High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus (HAWC+) an Bord von SOFIA durchgeführt und die Sternentstehungsrate über die letzten 100 Millionen Jahre abgeschätzt. „SOFIA ermöglicht es uns, in das kurze Zeitfenster zu schauen, in dem die beiden Prozesse gleichzeitig ablaufen“, sagt Cooke. "Es ist das einzige Teleskop, das in der Lage ist, die Sternentstehung in dieser Galaxie zu beobachten, ohne dass sie von dem intensiv leuchtenden Quasar überstahlt wird.“

Der kurze Zeitraum, in dem die Sternentstehung dem verheerenden Einfluss des Quasars noch nicht unterlegen ist, ist gleichzeitig der Anfang vom Ende der Sternentstehungsphase einer Galaxie. Weitere Untersuchungen mit SOFIA müssen zeigen, ob andere Galaxien ebenfalls ein solches Stadium mit gleichzeitigem Wachstum des Schwarzen Lochs und Zunahme der Anzahl der Stern durchlaufen, bevor ihre Sternentstehungsphase endet. Auch mit dem James Webb Space Telescope der NASA, dessen Start für 2021 geplant ist, sind unter anderem Untersuchungen über die Auswirkungen von Quasaren auf die Gesamtstruktur ihrer Wirtsgalaxien vorgesehen.

Originalveröffentlichung:
Dying of the Light: An X-Ray Fading Cold Quasar at z ~ 0.405
Cooke, K. C. et al., 2020 ApJ 903 106

Weitere Links zur News:

• Galaxy Survives Black Hole’s Feast – For Now, NASA News
• Cold Quasars and the Evolution of Galaxies, News vom SOFIA Science Mission Operation Center

Weitere SOFIA Links

• SOFIA Science Center
• NASA SOFIA Missionsseite
• SOFIA Missionsseite des DLR Raumfahrtmanagements
• DLR SOFIA Projektseite
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SOFIA, das "Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie" ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der U.S.-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Es wird vom DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).