Radio- und Röntgenbeobachtungen zeigen spektakuläre Fossilien in einer nahen Galaxiengruppe

18. Oktober 2021

Durch die Kombination von Radio- und Röntgenbildern von LOFAR und SRG/eROSITA haben Astrophysiker eine Galaxiengruppe untersucht, in der ein unglaublich reichhaltiges System von im Radiobereich strahlenden Filamenten in eine Atmosphäre aus heißem Gas eingebettet ist, das Röntgenstrahlen aussendet. Diese Filamente entstanden ursprünglich durch Ausströmungen von einem supermassereichen Schwarzen Loch vor einigen hundert Millionen Jahren – etwa zu der Zeit, als die Dinosaurier auf der Erde erschienen. Trotz ihres beeindruckenden Alters sind die Filamente immer noch vorhanden und bilden ein kompliziertes Labyrinth aus dünnen Strängen und geometrischen Mustern, die an Strukturen erinnern, die entstehen, wenn Gasschwaden in der Atmosphäre aufsteigen. Das Fehlen einer vollständigen Durchmischung zwischen dem Röntgen- und dem radioemittierenden Plasma ist besonders interessant für physikalische Modelle des sogenannten mechanischen AGN-Feedback.

Abb.1. Bilder der Galaxiengruppe NEST200047 im Radio- (links) und Röntgenband (rechts). Diese Bilder wurden mit dem LOFAR-Interferometer bei Frequenzen von 144 MHz bzw. mit dem SRG/eROSITA-Teleskop im 0,5-2,3 keV-Band aufgenommen. Auf dem rechten Bild ist die Verteilung der Radioemission durch die schwachen Konturlinien angedeutet. Die Größe der im Radioband sichtbaren Strukturen beträgt mehr als 1,5 Millionen Lichtjahre. Im Zentrum der Gruppe befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch, das in eine heiße gasförmige Atmosphäre eingebettet ist und Röntgenstrahlung aussendet. Die Abkühlung des Gases treibt die Akkretion auf das Schwarze Loch voran, das daraufhin große Mengen an Energie in Form von radioemittierenden Blasen abgibt, die ihre Energie schließlich auf das Gas übertragen und dessen weitere Abkühlung verhindern. Im Zentrum bildet das Gas einen „Röntgenbalken“, der senkrecht zu den radiohellen Regionen steht. Auf etwas größeren Skalen umschließt ein „Röntgenrand“ die inneren Radioblasen.

Massereiche Halos in unserem Universum, wie elliptische Riesengalaxien, Galaxiengruppen und -haufen, bestehen größtenteils aus Dunkler Materie, die für ihre starke Gravitation verantwortlich ist. Ein Teil ihrer Masse besteht jedoch auch aus normaler Materie, d. h. aus Baryonen, die eine heiße Gasatmosphäre bilden, die den Potentialtopf des Halo ausfüllt. Bei Temperaturen von 10 oder 100 Millionen Grad kann dieses Gas mit modernen Weltraumobservatorien wie Chandra, XMM-Newton und SRG leicht im Röntgenlicht untersucht werden.

In der zentralen Region jedes Halos ist die Gasdichte hoch, und das Gas könnte sich abkühlen und kondensieren und so Brennstoff für die Bildung neuer Sterne liefern. Aus irgendeinem Grund passiert dies jedoch nicht – ein Rätsel, das vor mehr als 20 Jahren zu der Idee des „mechanischen AGN-Feedback“ führte. AGN steht hier für Aktiver Galaktischer Kern – ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum eines Halos. Das Paradigma, das auch als „radio-mode AGN feedback“ bekannt ist, basiert auf drei Hauptannahmen, nämlich (i) dass der AGN eine ausreichende Menge an mechanischer Energie in Form von Jets und/oder Ausströmungen liefern kann, um eine Abkühlung des Gases zu verhindern; (ii) dass diese Energie effizient in eine Erwärmung des Gases umgewandelt werden kann; und (iii) dass das System sich selbst reguliert, so dass ungefähr die richtige Menge an Energie vom AGN freigesetzt wird.

Diese Annahmen können durch eine Kombination aus einfachen energetischen Abschätzungen, Argumenten des Energieerhaltungssatzes und verschiedenen analytischen und numerischen Modellen der Rückkopplungsschleife untermauert werden. Es ist jedoch schwierig, von Grund auf zu verstehen, welche physikalischen Prozesse dafür verantwortlich sind, dass die vom supermassereichen Schwarzen Loch freigesetzte Energie abgeleitet und das Gas schließlich aufgeheizt wird. Es gibt einfach zu viele Möglichkeiten, darunter Wellen, Turbulenz, Vermischung, kosmische Strahlung... Man muss auf Beobachtungen zurückgreifen, um Hinweise auf diese Frage zu finden.

Abb.2. Radiobild von NEST200047, wobei einige Strukturen hervorgehoben sind. Die verschiedenen Strukturen sind mit vergangenen Episoden der Aktivität des Schwarzen Lochs über einen Zeitraum von Hunderten von Millionen Jahren verknüpft. Größere Strukturen sind älter als die kompakteren und helleren Objekte, die sich näher am Zentrum befinden.

Hier kommt NEST200047 ins Spiel: eine nahe gelegene Gruppe von Galaxien, etwa 75 Mpc (ungefähr 250 Millionen Lichtjahre) von uns entfernt, die von LOFAR und SRG/eROSITA in ihren jeweiligen Radio- und Röntgendurchmusterungen beobachtet wurde (Abb. 1). Die charakteristischen Wellenlängen der beiden Durchmusterungen unterscheiden sich um einen Faktor von etwa 5 Milliarden, was einen sehr komplementären Blick auf die Galaxiengruppe ermöglicht. Diese Daten bestätigen, dass sich rund um eine elliptische Riesengalaxie im Zentrum eine heiße, Röntgenlicht emittierende Gasatmosphäre befindet und dass ihr Kern im Radioband hell scheint – typische Merkmale einer Galaxiengruppe, in der das AGN-Feedback eine wichtige Rolle spielt.

Doch NEST200047 entpuppt sich als ein ganz besonderes Objekt. Die Radioemission stammt von einem reichhaltigen und komplizierten System von Filamenten, das sich über eine Region von über 200 kpc erstreckt. Die Strukturen ähneln Wirbeln, wie sie in der berühmten nahen Galaxie M87 zu finden sind, allerdings auf einer viel größeren räumlichen Skala. Die kombinierten Radio- und Röntgenaufnahmen deuten darauf hin, dass das radioemittierende Plasma im Laufe von mehr als hundert Millionen Jahren durch komplizierte Bewegungen gedehnt und verformt wurde. Gleichzeitig vermischt es sich auf kleinen Skalen nicht mit dem thermischen Plasma, was die Rolle von Magnetfeldern unterstreicht. Dies bedeutet auch, dass die Vermischung für die Erwärmung des Röntgenlicht emittierenden Gases nicht erforderlich ist, wie es die ursprünglichen Modelle für das radio-mode AGN-Feedback vorsehen.

Alles in allem stellt NEST200047 ein einzigartiges Beispiel für ein Objekt dar, in dem sich Fossilien der AGN-Aktivität über Hunderte von Millionen Jahren verfolgen lassen (Abb.2).

Weitere Informationen

Bitte beachten Sie, dass die Bilder für diesen Artikel angepasst wurden. Für die Originalbilder siehe die Nature-Publikation (linke Spalte).

Die SRG-Raumsonde wurde von der Lavochkin-Assoziation der Roskosmos Corporation entwickelt und am 13. Juli 2019 mit einer Proton-Trägerrakete vom Kosmodrom Baikonur gestartet. Das SRG-Observatorium wurde unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen des Russischen Föderalen Raumfahrtprogramms auf Initiative der Russischen Akademie der Wissenschaften, vertreten durch ihr Institut für Weltraumforschung (IKI), gebaut. Das Observatorium verfügt über zwei einzigartige Röntgenteleskope mit streifendem Einfall: ART-XC (IKI, Russland) und eROSITA (MPE, Deutschland). Das eROSITA-Teleskop wurde unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) und des DLR gebaut. Die SRG-Sonde wird von der Lavochkin Association und den von Roskosmos finanzierten Deep Space Network Antennae in Bear Lakes, Ussurijsk und Baikonur betrieben.

LOFAR ist ein Niederfrequenz-Array, das von ASTRON entwickelt und gebaut wurde. Es verfügt über Beobachtungs-, Datenverarbeitungs- und Datenspeichereinrichtungen in mehreren Ländern, die sich im Besitz verschiedener Parteien (mit jeweils eigenen Finanzierungsquellen) befinden und von der Stiftung ILT im Rahmen einer gemeinsamen Wissenschaftspolitik gemeinsam betrieben werden.

Diese Studie ist das Ergebnis gemeinsamer Anstrengungen von Experten für Radio-, optische und Röntgenastronomie der Universita di Bologna, INAF, ASTRON, der Sternwarte Leiden, der Sternwarte Hamburg, der Universität Kasan, des Weltraumforschungsinstituts (IKI), des Max-Planck-Instituts für Astrophysik, der University of Hertfordshire, der IASF, des DIAS, der SRON, des WPI, des Observatoire de Paris und der Rhodes University.

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