Astronomen haben vielleicht endlich den Schuldigen in einem kosmischen Kriminalfall gefunden: Warum den größten Galaxien des Universums so viele Sterne fehlen. Neue Daten der Röntgen-Bildgebungs- und Spektroskopie-Mission (XRISM) deuten darauf hin, dass supermassereiche Schwarze Löcher die Übeltäter sind, die das zur Sternentstehung benötigte Gas wegblasen.

Aktuelle Modelle sagen voraus, dass die massereichsten Galaxien vor stellarer Masse nur so strotzen sollten, aber Beobachtungen zeigen ein deutliches Defizit. Die Doktorandin Xin „Cindy“ Xiang von der University of Michigan nutzte XRISM-Daten, um eine führende Erklärung zu untersuchen, und fand Beweise, die direkt auf Schwarze Löcher hindeuten.

Die meisten Menschen kennen Schwarze Löcher als Objekte, deren Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings können Schwarze Löcher auch extrem helle Regionen um sich herum erzeugen. Wenn Gas und Staub spiralförmig nach innen strömen, bilden sie eine Akkretionsscheibe, die enorme Energiemengen abstrahlt, darunter auch starke Röntgenstrahlen.

Akkretionsscheiben gehören zu den energiereichsten Umgebungen im Universum. Material, das auf das Schwarze Loch zufällt, wird durch Schwerkraft und Reibung erhitzt, bis es zu einem extrem heißen Plasma wird. Gleichzeitig kann die Scheibe mächtige Ausströmungen von Materie auslösen.

Diese Winde können stark genug sein, um Gas aus einer Galaxie zu fegen. Da Gas der Rohstoff für die Entstehung neuer Sterne ist, könnten solche Ausströmungen die zukünftige Sternentstehung erheblich reduzieren.

Daten von XRISM stützen diese Möglichkeit. Die Mission wird von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA in Partnerschaft mit der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation ESA geleitet.

„Früher, ohne XRISM, konnten wir nur grobe Merkmale der Ausströmungen sehen“, sagte Xiang. „Aber man muss in der Lage sein, feine Details aufzulösen, um wichtige Fragen zu beantworten. Wie sind ihre Struktur und Geometrie? Wie werden die Winde gestartet und wann werden sie gestartet?“

XRISM wurde 2023 gestartet und begann im Herbst 2024 mit wissenschaftlichen Beobachtungen. Seine Energieauflösung ist etwa zehnmal besser als die seines Vorgängers, sodass Astronomen die Umgebung Schwarzer Löcher viel detaillierter untersuchen können.

Xiang und ihre Mitarbeiter haben sich auf NGC 4151 konzentriert, eine helle Galaxie, die etwas mehr als 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. In ihrem Zentrum befindet sich ein aktiver galaktischer Kern (AGN), in dem ein supermassereiches Schwarzes Loch aktiv Materie verschlingt und eine leuchtende Akkretionsscheibe erzeugt. Das macht NGC 4151 zu einem idealen Labor, um von Schwarzen Löchern angetriebene Ausströmungen zu untersuchen.

„Mit XRISM haben wir die beste Auflösung, um die hellsten AGN zu beobachten, und wir erhalten die reichhaltigsten Informationen über Ausströmungen, die wir bisher für eine Akkretionsscheibe beobachtet haben“, sagte Xiang.

In Zusammenarbeit mit dem Astronomieprofessor Jon Miller von der University of Michigan zeigte Xiang zuvor, dass Winde aus der Akkretionsscheibe von NGC 4151 Geschwindigkeiten erreichen können, die ausreichen, um Material aus dem System zu schleudern. Sie identifizierte auch den wahrscheinlichen Mechanismus, der diese Ausströmungen antreibt – magnetozentrifugalen Antrieb, ähnlich dem, der Sonneneruptionen auslöst.

Auf der 248. Tagung der American Astronomical Society in Pasadena, Kalifornien, präsentierte Xiang eine neue Methode, um zu bestimmen, wann die starken Winde von NGC 4151 aktiv sind. Der Ansatz könnte Forschern helfen, ähnliche Ausströmungen in anderen Galaxien zu identifizieren und das Verständnis von AGN im gesamten Universum zu verbessern.

Da AGN-Winde sich im Laufe der Zeit dramatisch verändern können, brauchte Xiang eine Möglichkeit, den Zeitpunkt der schnellsten und stärksten Ausströmungen zu bestimmen. Dazu analysierte sie Hunderte von Tagen XRISM-Beobachtungen von NGC 4151.

Ihre Arbeit konzentrierte sich auf Zeiträume, in denen die Röntgenleistung der Galaxie in Flares aufhellte, und darauf, wie sich das Röntgensignal in den folgenden Stunden entwickelte.

Zusätzlich zur Helligkeitsmessung untersuchte Xiang, ob die detektierten Röntgenstrahlen relativ hart oder weich waren – eine Eigenschaft, die mit der Farbe im sichtbaren Licht vergleichbar ist. Sie kombinierte diese Messungen zu einer neuen Metrik namens Farbintensitätsindex. Miller schlug vor, den Namen zu „Cindicity“ zu verkürzen.

„Teilweise, weil ich Cindy heiße“, sagte Xiang. „Aber die Idee ist, dass man mir in Zukunft die Cindicity seiner Quelle zu diesem Zeitpunkt sagen könnte.“