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11 – Astronomen enthüllen wachsende Schwarze Löcher in kollidierenden Galaxien

11 – Astronomen enthüllen wachsende Schwarze Löcher in kollidierenden Galaxien

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Astronomen blicken durch dicke Mauern aus Gas und Staub, die die chaotischen Kerne der sich verschmelzenden Galaxien umgeben, und sehen ihre besten Blicke auf enge Paare supermassiver Schwarzer Löcher, während sie in Richtung einer Verschmelzung in riesige Schwarze Löcher marschieren.

Ein Forscherteam um Michael Koss von Eureka Scientific Inc. in Kirkland, Washington, führte die größte Untersuchung der Kerne von nahe gelegenen Galaxien im nahen Infrarotlicht mit hochauflösenden Bildern des Hubble-Weltraumteleskops der NASA und der WM Keck durch Observatorium in Hawaii. Die Hubble-Beobachtungen repräsentieren über 20 Jahre Momentaufnahmen aus seinem umfangreichen Archiv.

"Es war erstaunlich, die Paare der zusammenlaufenden Galaxienkerne zu sehen, die mit diesen riesigen Schwarzen Löchern so nahe beieinander liegen", sagte Koss. "In unserer Studie sehen wir gleich zwei Galaxienkerne, als die Bilder aufgenommen wurden. Sie können nicht darüber streiten; es ist ein sehr" sauberes "Ergebnis, das nicht auf Interpretation angewiesen ist."

Die Bilder bieten auch eine Nahansicht eines Phänomens, das im frühen Universum häufiger aufgetreten sein musste, als Galaxienfusionen häufiger auftraten. Wenn Galaxien zusammenstoßen, können ihre schwarzen Monsterlöcher gewaltige Energie in Form von Gravitationswellen entfesseln, die in der Raumzeit eine Welle bilden, die kürzlich in bahnbrechenden Experimenten entdeckt wurde.

Die neue Studie bietet auch eine Vorschau auf das, was wahrscheinlich in unserem eigenen kosmischen Hinterhof in mehreren Milliarden Jahren passieren wird, wenn sich unsere Milchstraße mit der benachbarten Andromeda-Galaxie verbindet und ihre jeweiligen zentralen Schwarzen Löcher zusammenbrechen.

"Computersimulationen von Galaxie – Smashups zeigen uns, dass Schwarze Löcher in der Endphase der Fusionen, in der Nähe der Wechselwirkung zwischen den Schwarzen Löchern, am schnellsten wachsen, und das haben wir in unserer Umfrage festgestellt", sagte Laura Blecha, Mitglied der Studiengruppe Florida in Gainesville. "Die Tatsache, dass Schwarze Löcher im Zuge der Fusionen immer schneller wachsen, zeigt, dass Galaxienbegegnungen wirklich wichtig sind, um zu verstehen, wie diese Objekte so ungeheuer groß werden."

Eine Galaxienfusion ist ein langsamer Prozess, der mehr als eine Milliarde Jahre dauert. Zwei Galaxien tanzen unter der unerbittlichen Schwerkraft aufeinander zu, bevor sie sich schließlich zusammenschließen. Simulationen zeigen, dass Galaxien viel Gas und Staub aufwirbeln, während sie sich in einem Zeitlupentrack befinden.

Das ausgestoßene Material bildet häufig einen dicken Vorhang um die Zentren der Koaleszenzgalaxien und schirmt sie im sichtbaren Licht ab. Ein Teil des Materials fällt auch auf die schwarzen Löcher in den Kernen der zusammenlaufenden Galaxien. Die schwarzen Löcher wachsen schnell, während sie sich mit ihrer kosmischen Nahrung versorgen, und da sie unordentliche Esser sind, lassen sie das einfallende Gas hell aufflammen. Dieses schnelle Wachstum findet in den letzten 10 bis 20 Millionen Jahren der Union statt. Das Hubble- und das Keck-Observatorium nahmen Nahaufnahmen dieser Endphase auf, wenn die schwarzen Löcher nur etwa 3.000 Lichtjahre voneinander entfernt sind – in kosmischer Hinsicht eine nahezu umarmende.

Es ist nicht einfach, Galaxienkerne so nahe beieinander zu finden. Die meisten früheren Beobachtungen kollidierender Galaxien haben die sich verschmelzenden schwarzen Löcher in früheren Stufen eingefangen, als sie etwa zehnmal weiter entfernt waren. Das späte Stadium des Fusionsprozesses ist so schwer fassbar, da die interagierenden Galaxien in dichtem Staub und Gas eingeschlossen sind und hochauflösende Beobachtungen im Infrarotlicht erfordern, die durch die Wolken hindurchschauen und die Positionen der beiden zusammenlaufenden Kerne bestimmen können.

Das Team suchte zunächst nach optisch verdeckten, aktiven Schwarzen Löchern, indem es die Röntgendaten des Burst Alert Telescope (BAT) an Bord des Neil Gehrels Swift Telescope der NASA, eines hochenergetischen Weltraumobservatoriums, durchführte. "Gas, das auf die Schwarzen Löcher fällt, strahlt Röntgenstrahlen aus, und die Helligkeit der Röntgenstrahlen zeigt an, wie schnell das Schwarze Loch wächst", erklärte Koss. "Ich wusste nicht, ob wir verborgene Fusionen finden würden, aber wir hatten aufgrund von Computersimulationen den Verdacht, dass sie sich in stark abgedeckten Galaxien befinden würden. Deshalb versuchten wir, mit möglichst scharfen Bildern durch den Staub zu blicken, in der Hoffnung, eine Vereinigung zu finden Schwarze Löcher."

Die Forscher durchforsteten das Hubble-Archiv und identifizierten die zusammenlaufenden Galaxien, die sie in den Röntgendaten entdeckten. Anschließend benutzten sie die ultrascharfe Nahinfrarotsicht des Keck-Observatoriums, um eine größere Anzahl von Röntgenstrahlen produzierenden schwarzen Löchern zu beobachten, die nicht im Hubble-Archiv gefunden wurden.

"Die Leute hatten bereits Studien durchgeführt, um nach diesen eng zusammenwirkenden Schwarzen Löchern zu suchen, aber was diese Studie wirklich ermöglichte, waren die Röntgenstrahlen, die den Kokon aus Staub durchbrechen können", sagte Koss. "Wir haben auch im Universum ein wenig weiter geschaut, um ein größeres Raumvolumen zu erfassen, was uns eine größere Chance gibt, hellere, schnell wachsende Schwarze Löcher zu finden."

Das Team zielte auf Galaxien mit einer durchschnittlichen Entfernung von 330 Millionen Lichtjahren von der Erde. Viele der Galaxien haben eine ähnliche Größe wie die Galaxien Milchstraße und Andromeda. Das Team analysierte 96 Galaxien aus dem Keck-Observatorium und 385 Galaxien aus dem Hubble-Archiv, die in 38 verschiedenen Hubble-Beobachtungsprogrammen gefunden wurden. Die Beispielgalaxien sind repräsentativ für das, was Astronomen bei einer All-Sky-Untersuchung finden würden.

Um ihre Ergebnisse zu überprüfen, verglich Koss 'Team die Vermessungsgalaxien mit 176 anderen Galaxien aus dem Hubble-Archiv, denen es an aktiven Schwarzen Löchern mangelt. Der Vergleich bestätigte, dass die bei der Erhebung staubiger, interagierender Galaxien durch die Forscher gefundenen leuchtenden Kerne in der Tat eine Signatur schnell wachsender Schwarzlochpaare sind, die auf einen Zusammenstoß zusteuern.

Wenn die zwei supermassiven Schwarzen Löcher in jedem dieser Systeme in Jahrmillionen schließlich zusammenkommen, werden ihre Begegnungen starke Gravitationswellen erzeugen. Gravitationswellen, die durch die Kollision zweier schwarzer Löcher mit stellarer Masse erzeugt werden, wurden bereits vom Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) detektiert. Observatorien wie die geplante weltraumgestützte Laser Interferometer-Weltraumantenne (LISA) der NASA / ESA werden in der Lage sein, die niederfrequenten Gravitationswellen von supermassiven Black-Hole-Fusionen zu erfassen, die eine Million Mal massiver sind als die von LIGO entdeckten.

Zukünftige Infrarot-Teleskope wie das von James NASA geplante Weltraumteleskop James Webb und eine neue Generation riesiger Bodenteleskope bieten eine noch bessere Möglichkeit, staubige Galaxienkollisionen durch Messung der Massen, der Wachstumsrate und der Dynamik enger Schwarzlochpaare zu untersuchen. Das Webb-Teleskop ist möglicherweise auch in der Lage, in mittleres Infrarotlicht zu sehen, um mehr Galaxienwechselwirkungen aufzudecken, die in dickem Gas und Staub eingeschlossen sind, sodass selbst nahes Infrarotlicht sie nicht durchdringen kann.

Die Ergebnisse des Teams werden online in der Ausgabe der Zeitschrift Nature am 7. November 2018 veröffentlicht.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, führt Hubble-Wissenschaftsoperationen durch. STScI wird für die NASA von der Association of Universities for Astronomy Research in Washington, D.C. betrieben.

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