Ein Blick von innen nach außen auf aktive supermassereiche Schwarze Löcher und ihre Wirtsgalaxien
Aktive supermassereiche Schwarze Löcher sehen nicht alle gleich aus. Manche werden von heißem Staub verdeckt, manche sind von schnellem ionisiertem Gas umgeben und manche können riesige Radiojets ausstoßen, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken. Durch die Kartierung von etwa zweitausend solcher Objekte von ihren galaktischen Zentren nach außen hin stellten Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik fest, dass diese Unterschiede mit den Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxien zusammenhängen. Infrarot- und optische AGNs finden sich in sternbildenden Galaxien mit jungen Zentren und ionisierten Winden, während Radio-AGNs meist in älteren, ruhigeren Systemen vorkommen. Eine kleine Gruppe, die beide Arten von Aktivität aufweist, liegt dazwischen.
Aktive Schwarze Löcher in einem anderen Licht
Ein aktiver galaktischer Kern (AGN) kann in verschiedenen Formen auftreten: beispielsweise als heißer, staubreicher Torus, der im Infrarotlicht leuchtet, als breite Emissionslinien von Gas, das sich nahe am Schwarzen Loch bewegt, als schmale Linien von weiter entferntem Gas oder als Radiojet, der vom Zentrum ausgestoßen wird. Ein Teil dieser Vielfalt ist schlicht auf unseren Betrachtungswinkel zurückzuführen. So sieht beispielsweise ein AGN, der durch seinen staubigen Torus von der Seite betrachtet wird, anders aus als einer, der von oben betrachtet wird. Die Ausrichtung allein kann jedoch nicht alles erklären. Seit Langem besteht die Frage, ob diese verschiedenen „Gesichter” der AGN-Aktivität auch mit den Vorgängen in der umgebenden Galaxie zusammenhängen und wenn ja, in welcher Weise.
Vom Kern bis zum Rand
Um dies herauszufinden, kombinierte das Team Daten von rund zehntausend nahen Galaxien, darunter fast zweitausend identifizierte AGNs, die aus drei Durchmusterungen stammten. Jede dieser Durchmusterungen trug einen anderen Teil zum Gesamtbild bei. WISE, ein Infrarot-Satellit, deckt heißen Staub auf. MaNGA ist eine spektroskopische Integralfeld-Durchmusterung, die optische AGN-Signaturen und Spektren an mehreren Positionen innerhalb jeder Galaxie liefert. Dies ermöglicht es dem Team, Eigenschaften abzubilden, anstatt sie nur zusammengefasst zu messen. LoTSS ist eine hochmoderne Radiodurchmusterung, die das LOFAR-Teleskop nutzt, um die Synchrotronstrahlung von Jets zu verfolgen. Zusammen ermöglichen diese Datensätze den Forschern, die Entwicklung jeder Galaxie von ihren inneren Regionen bis zu ihren Randbereichen nachzuverfolgen.
Die ersten Unterschiede zeigen sich in den zentralen Regionen. Galaxien, die infrarote AGNs beherbergen, weisen den deutlichsten Anstieg der zentralen Sternentstehung auf und bilden in der Nähe ihres Kerns Sterne schneller als ähnliche Galaxien ohne AGN-Aktivität. Diese Wirtsgalaxien mit infraroten und optischen AGN weisen in ihren Zentren zudem jüngere Sternpopulationen auf, was anhand eines spektralen Indikators für das Sternalter festgestellt wurde. Im Gegensatz dazu haben Wirtsgalaxien mit Radio-AGN alte zentrale Populationen und eine geringere zentrale Sternentstehung, ähnlich wie ruhige, normale Galaxien. Das gleichzeitige Vorhandensein von Schwarzem-Loch-Wachstum und zentraler Sternentstehung in denselben Populationen steht im Einklang damit, dass beide Prozesse aus demselben Gasvorrat gespeist werden. Die Daten zeigen jedoch nicht, dass ein Prozess den anderen auslöst.
Auch die Gasemission und die Kinematik tragen die Signatur des AGN. Infrarot-, Breitlinien- und Schmallinien-AGNs weisen alle eine stärkere Gasionisierung in Richtung des Zentrums auf. Dieser Überschuss im Vergleich zu normalen Galaxien erstreckt sich über mehrere Kiloparsec, bevor er abklingt. Schnell strömende, ionisierte Winde sind bei Infrarot- und Breitlinien-AGNs am stärksten und ihr durchschnittliches Signal reicht bis zu einer Entfernung von etwa zwei Kiloparsec vom Kern. Radio-AGNs zeigen im Durchschnitt keinen vergleichbaren Ausfluss. Diese Winde stören das ionisierte Gas um das Schwarze Loch herum deutlich. Die Daten zeigen jedoch nicht, dass die Sternentstehung durch das aktuelle AGN sofort zum Erliegen kommt. Der Zusammenhang zwischen dem Wachstum des Schwarzen Lochs und dem der Sterne ist in der Nähe des Zentrums am stärksten und schwächt sich zu den Randbereichen hin allmählich ab.
Eine Brücke zwischen den AGN-Modusarten
Eine kleine Gruppe von AGNs weist sowohl optische/infrarote als auch Radio-Signaturen auf. Mehrere unabhängige Messungen zeigen, dass diese „gemischten“ AGNs zwischen den strahlungs- und den radiodominierten Populationen liegen und somit eher eine Verbindung als eine klare Grenze zwischen beiden darstellen. Ihre radialen Sternentstehungsprofile liegen zwischen denen von rein optischen/infraroten und rein radioaktiven AGNs. Ihre gestapelten Spektren zeigen eine Kombination aus starken Emissionslinien und einem signifikanten 4000-Ångström-Bruch. Dies deutet auf eine fortlaufende Akkretion in ein Schwarzes Loch innerhalb einer alternden Sternpopulation hin. Zwar ist ihre Radioemission vorhanden, sie bleibt jedoch im Vergleich zu den ausgedehnten Jets rein radioaktiver AGNs relativ kompakt.
Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche populationsweite Abfolge hin, die von strahlenden AGNs in sternbildenden Wirtsgalaxien bis hin zu Radio-AGNs in ruhenden Wirtsgalaxien reicht. Gemischte AGNs stellen dabei eine Zwischenstufe dar. Es ist jedoch wichtig zu bemerken, dass diese Abfolge als Karte miteinander verbundener AGN-Galaxien-Zustände interpretiert werden sollte und nicht als Zeitraffer einer einzelnen Galaxie. AGN-Episoden dauern weitaus kürzer als die Entwicklung der Galaxien und jede einzelne Galaxie kann im Laufe ihres Lebens wiederholte AGN-Zyklen durchlaufen. Veränderungen in der großräumigen Gasversorgung könnten zu diesem Muster beitragen, doch lassen die verfügbaren Daten keine Identifizierung der zugrunde liegenden Ursache zu.
Was fehlt noch?
Mehrere Beobachtungen könnten dieses Bild verdeutlichen. Molekulares Gas, das durch CO-Beobachtungen nachgewiesen wird, würde das Brennstoffreservoir direkt offenlegen. Röntgenbeobachtungen könnten die heißen Atmosphären aufdecken, von denen angenommen wird, dass sie um Radio-AGNs existieren. Radiobilder mit höherer Auflösung würden klären, ob die kompakten Jets in gemischten AGNs jünger sind. Ein Vergleich dieser Bilder mit räumlich aufgelösten Simulationen würde zeigen, ob die beobachteten Zustände aus einem einzigen oder mehreren Entwicklungswegen resultieren. Letztendlich werden diese Beobachtungen Aufschluss darüber geben, ob die hier aufgedeckte empirische Karte einen gemeinsamen Entwicklungsweg, wiederholte Zyklen oder mehrere Pfade durch das Wachstum von Schwarzen Löchern und Galaxien widerspiegelt.
