Wie Schwarze Löcher galaktische Superwinde antreiben

Forschungsbericht (importiert) 2020 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Autoren
Tiago Costa
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Zusammenfassung
Wenn Gas auf ein supermassereiches Schwarzes Loch zuströmt, setzt es riesige Energiemengen frei und erzeugt intensive Teilchenwinde. Diese fegen Gas aus der Galaxie heraus, und das Schwarze Loch schneidet sich selbst auf diese Weise von weiterem Nachschub ab. Ein neues Modell ermöglicht es, Winde, die durch solche akkretierenden Schwarzen Löcher beschleunigt werden, in Simulationen physikalisch genau zu simulieren. Die Winde blasen Gas aus dem galaktischen Kern und stoppen das Einströmen weiterer Materie aus dem galaktischen Halo.

Vermutlich beherbergt jede massereiche Galaxie in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch. Je massereicher die Galaxie, desto größer die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs. Während die Milchstraße ein Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen beherbergt, enthalten Riesengalaxien wie M87 Schwarze Löcher mit mehr als einer Milliarde Sonnenmassen.

Supermassereiche Schwarze Löcher wachsen, indem sie Gas aus ihrer Umgebung aufnehmen oder akkretieren. Wenn interstellare Gaswolken unter der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs auf spiralförmigen Bahnen zum Zentralkörper hinströmen, beschleunigen sie auf ungeheure Geschwindigkeiten. Ihre kinetische Energie wird durch Reibung umgewandelt und kann in Form von intensiver Strahlung freigesetzt werden oder einen Teilchenwind antreiben.

Abb.1 Durch die Anordnung von AREPO-Zellen in starren, kugelförmigen Schichten ist es möglich, akkretierende Schwarze Löcher als sphärische Grenzen darzustellen (rechts). Die Grenzflächen werden dann dazu verwendet, einen Wind mit Eigenschaften zu injizieren, die denen der beobachteten kleinskaligen Ausflüsse entsprechen. Ist das Schwarze Loch anfänglich von einem homogenen Medium umgeben, erzeugen die Winde komplexe, sphärische Ausströmungen (links).

Während der Lebensdauer eines typischen supermassereichen Schwarzen Lochs übersteigt die durch Akkretion freigesetzte Gesamtenergie die Bindungsenergie seiner Galaxie um etwa den Faktor 100. Nur 1% der freigesetzten Energie wird benötigt, um den Großteil des gasförmigen Reservoirs der Galaxie auszustoßen. Ohne Gas ist die Galaxie weder in der Lage, neue Sterne zu bilden, noch ihr zentrales Schwarzes Loch zu speisen. Letztendlich können supermassereiche Schwarze Löcher auf diese Weise das Ende ihres eigenen Wachstums und das ihrer Galaxien herbeiführen.

Modellierung der Winde von supermassereichen Schwarzen Löchern

Unser Team unter der Leitung von Tiago Costa hat eine neue Methode entwickelt, um Winde, die in der Nähe von akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern entstehen, in realistischen Szenarien der Galaxienentwicklung genau zu modellieren. Unser Modell nutzt die unregelmäßige Geometrie des Netzes in dem hochmodernen Computer-Code AREPO, mit dem interstellare Gasströmungen berechnet werden. Im Gegensatz zu traditionellen hydrodynamischen Codes, bei denen Flüssigkeiten auf starren kartesischen Gittern diskretisiert werden, löst AREPO die hydrodynamischen Gleichungen auf einem unregelmäßigen Gitter, das sich frei mit dem Gas bewegen kann. Durch die Anordnung von AREPO-Zellen in starren, sphärischen Schichten ist es möglich, akkretierende Schwarze Löcher als sphärische Grenzen darzustellen. Die Grenzflächen werden dann dazu verwendet, einen Wind mit Eigenschaften zu injizieren, die den beobachteten kleinskaligen Ausströmungen entsprechen.

Nach sorgfältigen Tests des Modells (Abbildung 1) untersuchten wir den Einfluss von Teilchenwinden supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Entwicklung einer massereichen Scheibengalaxie wie der Milchstraße. Dafür führten wir eine Reihe von Simulationen von galaktischen Scheiben durch.

Wie kleinräumige Winde galaktische Super-Winde antreiben

Abb. 2: Dichte und Temperatur des Gases um das akkretierende Schwarze Loch, modelliert mit einer sphärischen Grenze. Das Schwarze Loch, das sich im Zentrum der Scheibe (hier in seitlicher Ansicht) befindet, setzt einen anfangs kugelsymmetrischen, kleinskaligen Wind frei. Bei der Kollision mit der gasförmigen Umgebung treibt der Wind komplexe, bikonische Ausströmungen an, die Gas aus dem galaktischen Kern, aber auch aus dem ausgedehnten gasförmigen Halo, der die Zentralgalaxie kontinuierlich versorgt, entfernen.

Während die Winde in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs anfänglich kugelsymmetrisch sind, werden sie bald durch die Geometrie der gasförmigen Umgebung beeinflusst. Insbesondere können sie sich zu den Polen hin leichter ausbreiten als entlang der Scheibe. Infolgedessen treiben die Winde großräumige, konische Ausströmungen an, die Gas sowohl aus dem galaktischen Kern als auch aus dem ausgedehnten gasförmigen Halo, der die Scheibe umgibt, entfernen (Abbildung 2 und Video).

Die Winde treffen durch mehrere Kanäle auf die Galaxie. Sie kollidieren mit Gas im galaktischen Kern und stoßen es aus der Galaxie aus. Die ausströmenden Winde verhindern dann, dass neues Material von außen in die Scheibengalaxie hineinströmen kann. Die Galaxie „verhungert“ langsam, da ihr die „Nahrung“ für die Sternentstehung fehlt.

Unser Modell ermöglicht es, neues Licht auf die vielfältigen Mechanismen zu werfen, mit denen supermassereiche Schwarze Löcher mit ihren Winden die Galaxienentwicklung beeinflussen. Es erlaubt auch eine völlig neue Behandlung der Akkretion Schwarzer Löcher, weil die Flussraten über die sphärische Grenzfläche hinweg direkt in der Simulation gemessen werden können, anstatt nur Annahmen über sie zu treffen. Die Anwendung des Modells auf groß angelegte kosmologische Simulationen wird zeigen, ob supermassereiche Schwarze Löcher schließlich die Sternentstehung in den massereichsten Galaxien beenden können.

Simulation von Winden, die durch akkretierende Schwarze Löcher beschleunigt werden

Dichte und Temperatur des Gases um das akkretierende Schwarze Loch, modelliert mit einer sphärischen Grenze. Das Schwarze Loch, das sich im Zentrum der Scheibe (hier in seitlicher Ansicht) befindet, setzt einen anfangs kugelsymmetrischen, kleinskaligen Wind frei. Bei der Kollision mit der gasförmigen Umgebung treibt der Wind komplexe, bikonische Ausströmungen an, die Gas aus dem galaktischen Kern, aber auch aus dem ausgedehnten gasförmigen Halo, der die Zentralgalaxie kontinuierlich versorgt, entfernen.

Unser Modell ermöglicht es, neues Licht auf die vielfältigen Mechanismen zu werfen, mit denen supermassereiche Schwarze Löcher mit ihren Winden die Galaxienentwicklung beeinflussen. Es erlaubt auch eine völlig neue Behandlung der Akkretion Schwarzer Löcher, weil die Flussraten über die sphärische Grenzfläche hinweg direkt in der Simulation gemessen werden können, anstatt nur Annahmen über sie zu treffen. Die Anwendung des Modells auf groß angelegte kosmologische Simulationen wird zeigen, ob supermassereiche Schwarze Löcher schließlich die Sternentstehung in den massereichsten Galaxien beenden können.

Literaturhinweise

1.
Tiago Costa, Rüdiger Pakmor, Volker Springel
Powering galactic super-winds with small-scale AGN winds
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 497, 5229-5255 (2020)
Zur Redakteursansicht