Die Wirkung von strahlenden Sternen auf Quasare

1. August 2019

Neue kosmologische Simulationen umfassen nun auch den Einfluss der Strahlung junger Sterne auf das interstellare Gas bei der Bildung und Entwicklung von Quasaren und massereichen Galaxien. Wie das internationale Wissenschaftlerteam zeigen konnte, ändert die Strahlung der Sterne sowohl die Eigenschaften der Wirtsgalaxie des Quasars als auch deren Satellitengalaxien. Die Satellitengalaxien werden durch die Wirkung der intensiven Strahlung junger Sterne diffus und sind weniger stark gebunden. Folglich werden solche Satellitengalaxien leichter durch die starken Gezeitenkräfte der Wirtsgalaxie zerstört und kommen daher seltener vor.

Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Universum; sie werden angetrieben von supermassereichen schwarzen Löchern, die gewaltige Mengen an interstellarem Gas verschlucken und so eine Masse von etwa einer Milliarde Sonnenmassen ansammeln. Die Lichtleistung der Quasare kann so stark sein, dass sie oft ganze Galaxien überstrahlen und bis in extreme Entfernungen von Teleskopen beobachtet werden können. Die am weitesten entfernten Quasare, die derzeit bekannt sind, liegen fast 13 Milliarden Lichtjahre entfernt, und das Licht, das wir heute von ihnen beobachten, wurde ausgesandt, als das Universum nur wenige hundert Millionen Jahre alt war, also weniger als 10% seines derzeitigen Alters hatte. Die Eigenschaften der Galaxien und der kosmischen Umgebung, in der sich Quasare entwickeln, sind jedoch noch sehr wenig verstanden.

Quasar-Animation

Diese Animation zeigt die typische kosmologische Umgebung eines Quasars: Die Wirtgalaxie, etwa zehnmal kleiner als die Milchstraße, wird kontinuierlich durch ein Netzwerk von Filamenten gespeist, die große Gasmassen einbringen. Das Schwarze Loch in der Mitte wächst und treibt energiereiche galaktische Ausflüsse an. 

Hochentwickelte hydrodynamische Simulationen, die an großen Supercomputern durchgeführt werden, sind in der Lage, wichtige Prozesse zu modellieren, die von der Gaskühlung, der Sternentstehung und der Erzeugung von heißem Gas durch Supernova-Explosionen bis hin zum Wachstum von Schwarzen Löchern reichen. Diese simulierten Universen werfen so Licht auf die Entwicklung der ersten Quasare, die das frühe Universum erhellten. Nach diesen Simulationen entstehen Quasare im Zentrum massereicher Galaxien mit Sternmassen in der Größenordnung von 100 Milliarden Sonnen. Die Wirtsgalaxie eines Quasars, etwa zehnmal kleiner als die Milchstraße, wird kontinuierlich durch ein Netzwerk aus Filamenten gespeist, die große Gasmassen in die Galaxie einbringen und so für eine andauernde Sternentstehung und das Wachstum des schwarzen Lochs im galaktischen Kern sorgen, während der Quasar gleichzeitig starke galaktische Ausflüsse antreibt (siehe Animation). Eine weitere wichtige Vorhersage dieser Simulationen ist es, dass eine anomal große Population von massereichen Satellitengalaxien die massereichen Wirtsgalaxien der ersten Quasare umgeben sollte.

Abb. 2 zeigt die Verteilung des heißen Gases in einem Bereich von Hunderttausenden von Lichtjahren um die massereiche Galaxie herum, in der Simulation ohne Sternstrahlung (oben) und mit Sternstrahlung (unten). Die Bilder rechts zeigen einen Zoom auf die massereiche Galaxie selbst und die Verteilung der Sterne innerhalb der zentralen Regionen. Die Auswirkungen der Sternstrahlung führen nicht nur zu einer größeren, ausgedehnteren Galaxie (unten), sondern auch zu einer geringeren Anzahl von Sterngruppen um die Galaxie herum.

Frühere Modelle haben den Einfluss der Strahlung junger Sterne auf das interstellare Gas nicht berücksichtigt – diese kann aber sowohl die Eigenschaften der Wirtsgalaxie als auch ihrer Satelliten verändern. Ein internationales Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Astrophysik, dem Centre de Rechèrche Astrophysique de Lyon (Frankreich) und der Yonsei University (Seoul, Südkorea) untersuchte daher die Auswirkungen, wenn in der Entwicklung einer simulierten Wirtsgalaxie eines Quasars die Sternstrahlung „eingeschaltet“ wird. Um die Sternstrahlung erfolgreich zu modellieren, war es notwendig, vollständig Strahlungs-hydrodynamische, kosmologische Simulationen durchzuführen, d.h. sowohl die hydrodynamische Entwicklung des interstellaren und intergalaktischen Gases als auch die Ausbreitung der Strahlung jeder einzelnen Sternpopulation in der Simulation zu modellieren.

Die neuen Simulationen zeigen deutlich, dass die Strahlung der Sterne signifikante Auswirkungen auf die Entwicklung und die Struktur der massereichen Galaxien haben kann, wie beispielsweise die Wirtsgalaxien der ersten hellen Quasare. Sternstrahlung hat den kontra-intuitiven Effekt, die Menge an heißem Gas auf kosmischen Skalen zu reduzieren. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Strahlung der sich bildenden Sterne das interstellare Gas in deren Umgebung erwärmt und verhindert, dass dieses kollabiert und weitere Sterne bildet. Da eine reduzierte Sternentstehung jedoch eine geringere Anzahl von Supernova-Explosionen mit sich bringt, führt die stellare Strahlung damit indirekt zu einer geringeren Menge an heißem Gas. Die Sternstrahlung reduziert aber nicht nur die Gesamtzahl der Sterne, sondern auch die Anzahl der Stern-"Gruppen" um die Galaxie (siehe Abb. 2). Warum ist das so und was sind diese Sterngruppen, die in der Simulation ohne Sternstrahlung existieren, aber scheinbar verschwinden, wenn das Sternenlicht „eingeschaltet“ wird?

Abb. 3 zeigt drei Galaxien zu unterschiedlichen Zeitpunkten, die schließlich als Satellitengalaxien einer massereichen Wirtsgalaxie eines Quasars enden und zwar ohne (oben) und mit (unten) stellarer Strahlung. Die Satelliten werden durch die starken Gezeitenkräfte zerstört, während sie um die massereiche Zentralgalaxie fliegen, oft überleben sie aber in Form von kompakten Sternhaufen, wenn die Strahlung vernachlässigt wird. Wird die Strahlung berücksichtigt, werden sie größtenteils zerstört.

Um diese Frage zu beantworten, wählten die Forscher verschiedene Galaxien innerhalb der Simulation aus, angefangen zu einer Zeit, in der ihr virtuelles Universum erst etwa 600 Millionen Jahre alt war, und verfolgten deren Entwicklung. Dabei fanden sie heraus, dass viele dieser Galaxien als Satelliten um die massereiche Wirtsgalaxie eines Quasars enden. Während viele Satelliten in der zwar Simulation ohne Sternstrahlung überleben und die Zentralgalaxie umkreisen, werden einige der gleichen Satelliten in der Simulation mit Sternstrahlung vollständig zerstört.

Durch die Verhinderung der Sternentstehung führt die Strahlung der jungen Sterne zu weniger massereichen Galaxien, die anfälliger sind für die zerstörerische Kraft der starken Gezeitenkräfte in der Nähe ihrer massereichen zentralen Galaxie (siehe beispielsweise die in Abb. 3 grün dargestellte Entwicklung der Galaxie). Sternstrahlung führt somit indirekt zur vorzeitigen Zerstörung der Satellitengalaxien um Quasar-Wirtsgalaxien im frühen Universum, so dass diese scheinbar weniger Nachbarn haben als erwartet. Die Simulationen sagen voraus, dass die Galaxien, in denen sich die ersten Quasare befinden, von einer großen Anzahl aus abgestreiften Sternen umgeben sein sollten.

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