Die Koevolution von Galaxien und supermassereichen Schwarzen Löchern (Originalartikel vom 07.06.2019)

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Eine Simulation von IllustrisTNG zum Anteil an Sternen im heutigen Universum für die größten Skalen zeigt eine Hochrechnung für Sterne auf über 150 Millionen Lichtjahren. Wissenschaftler, die die Berechnung nutzen, können die Koevolution von Galaxien und ihren supermassereichen Schwarzen Löchern verfolgen.
The TNG Collaboration

Bildung und Wachstum von Galaxien im frühen Universum ist für künftige Großteleskope, wie dem Giant Magellan Telescope, und Weltraummissionen, wie etwa dem James Webb Weltraum-Teleskop, ein wichtiger Forschungsgegenstand. Mittlerweile haben Computersimulationen über die kosmische Entwicklung von Galaxien zu erheblichen Fortschritten bei unserem Verständnis geführt. Sie zeigen, daß Details der Galaxienentwicklung eng an die Eigenschaften der Galaxien, etwa ihre Abmessungen und Sternentstehungsraten, gebunden sind. Diese Eigenschaften werden wiederum reguliert durch den Gasgehalt der Galaxien, den Gasbewegungen (vorwiegend dem Drehimpuls) und einigen bislang ungewisse Mechanismen, welche die Sternbildung steuern, etwa durch Rückkopplung vom Schwarzen Loch im galaktischen Kern. Schließlich verdichten sich die Hinweise auf Beziehungen zwischen den Eigenschaften eines supermassereichen Schwarzen Lochs und denen seiner Heimatgalaxie.

Schwarze Löcher mit Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen findet man in den Zentren der meisten Galaxien. Die gewaltigsten Schwarzen Löcher finden sich im Zentrum von Quasaren und sind bis in ein Zeit entdeckt worden, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war, ein Hinweis darauf, daß es die Symbiose von Galaxie und Schwarzem Loch bereits in dieser frühen Ära gab. Akkretierende Schwarze Löcher können gewaltige Jets oder Winde ausstoßen, welche die Akkretion umkehren und Material nach außen treiben, wodurch mitunter die Sternbildung unterdrückt wird. Diese und andere Indizien helfen, die Mechanismen der Koevolution von Schwarzen Löchern und Galaxien zu erhellen und zeigen die gemeinschaftliche Entwicklung der Populationen von Galaxien und supermassereichen Schwarzen Löchern auf.

Die CfA-Astronomen Lars Hernquist und Rainer Weinberger sowie ihre Kollegen bedienten sich der großskaligen hydrodynamischen Simulation IllustrisTNG, um die Entwicklung von Galaxien und ihren Schwarzen Löchern zu verfolgen. Das Rechenprogramm kann die Entwicklung einer breiten Palette von Schwarzen Löchern und Galaxieneigenschaften modellieren, während das Universum altert. Mittels des Rechenprogramms bildete das Team mit Erfolg die beobachtete Beziehung zwischen Sternentstehungsrate und Galaxienmasse ab. Die Forscher stellten inmitten zahlreicher anderer Trends fest, daß inaktive Galaxien (solche, die nicht länger aktiv Sterne produzieren) zuerst eine Phase durchlaufen, während der sie an Größe abnehmen, bevor sie dann Sternbildung unterdrücken; das Team findet zudem, daß in der kosmischen Epoche, in der die Sternbildung ihren Höhepunkt erlebte (vor rund zehn Milliarden Jahren), mindestens zwanzig Prozent der Galaxien ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch beherbergen.

Literatur:

„Linking Galaxy Structural Properties and Star Formation Activity to Black Hole Activity with IllustrisTNG“

Melanie Habouzit, Shy Genel, Rachel S. Somerville, Dale Kocevski, Michaela Hirschmann, Avishai Dekel, Ena Choi, Dylan Nelson, Annalisa Pillepich, Paul Torrey, Lars Hernquist, Mark Vogelsberger, Rainer Weinberger, and Volker Springel

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 484, 4413, 2019

oder

arXiv:1809.05588v2 [astro-ph.GA] 8 Jan 2019