eROSITA entdeckt unerwartetes Flackern im Licht von Quasaren
Das Röntgenteleskop eROSITA, betrieben von einem Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE), hat eine überraschende Entdeckung zu Quasaren gemacht – supermassiven Schwarzen Löchern, die aktiv Materie verschlingen. Entgegen früheren Erwartungen fand die neue eROSITA-Studie, dass schnell fressende schwarze Löcher stärkeres Röntgenflackern und unberechenbarere zeitliche Schwankungen ihrer Röntgenhelligkeit zeigen. Diese unerwartet starke Variabilität könnte durch kraftvolle Winde ausgelöst werden, die vom Schwarzen Loch selbst ausgeblasen werden und wie ein Vorhang wirken, der das Röntgenlicht zeitweise blockiert, laut Forschenden am MPE und dem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen, die die Studie leiteten. Das MPE trug entscheidend zu diesem Fund bei, indem es eROSITA entwickelte, die systematische Durchmusterung des Himmel im Halbjahresrhythmus durchführte, und die Entwicklung neuer statistische Analysen begann, die Muster in den umfangreichen Datensätzen aufdeckt.
Die meisten massereichen Galaxien im Universum, darunter auch unsere Milchstraße, beherbergen in ihren Zentren Schwarze Löcher, die Millionen oder sogar Milliarden Mal mehr Masse besitzen als unsere Sonne. Die starke Gravitation dieser Giganten fängt Materie – überwiegend Gas – ein, die nach innen spiralt und schließlich in sie hineinfällt, wodurch ihre Massen weiter wachsen.
Die Materie verschwindet jedoch nicht einfach spurlos. Die intensive Gravitation und Reibung erhitzen sie auf enorme Temperaturen und erzeugen unglaubliche Mengen an Energie, die als strahlendes Licht in alle Richtungen abgestrahlt werden. Dieses Licht können unsere Teleskope, wie eROSITA, sehen. Wenn ein supermassives schwarzes Loch aktiv Materie aufnimmt und dabei diese eindrucksvolle Lichtshow erzeugt, bezeichnen wir es als einen Quasar. Diese Objekte gehören zu den hellsten im Universum. Das Licht von Quasaren hat eine besondere Eigenschaft: Es flackert ständig bzw. verändert seine Helligkeit mit der Zeit.
"Der Zustrom von Materie auf das Schwarze Loch ist nicht völlig gleichmäßig. Zufällige Änderungen in der Menge des verschlungenen Materials lassen das Licht des Quasars flackern", erklärt Dr. Johannes Buchner, Wissenschaftler am MPE. Die Untersuchung dieses Flackerns hilft Astronominnen und Astronomen, die Umgebung in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs zu kartieren und zu verstehen, wie es Materie konsumiert.
Animation: Licht-Flackern durch supermassereiches Schwarzes Loch.
Frühere Arbeiten hatten ein klares Muster gefunden: Je massereicher das Schwarze Loch ist oder je schneller es Materie akkretierte, desto schwächer sollte das Flackern der ausgesandten Strahlung sein. Die eROSITA-Beobachtungen stellen diese etablierte Regel in Frage.
In einer neuen Studie, veröffentlicht in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, nutzten MPE-Astronominnen und -Astronomen gemeinsam mit ihren internationalen Partnern unter der Leitung des Nationalen Observatoriums von Athen neue Beobachtungen mit dem Röntgenteleskop eROSITA, um die zeitlichen Veränderungen des Röntgenlichts einer beispiellos großen Zahl entfernter Quasare zu überwachen.
Entgegen früheren Erwartungen stellten sie fest, dass das Röntgenflackern stärker wird, wenn Schwarze Löcher Materie mit höherer Rate akkretieren. Dieses unerwartete Ergebnis verrät uns etwas Grundlegendes über den Materiefluss um schnell wachsende Schwarze Löcher.
Warum also das unerwartet starke Flackern? Die Astronomen schlagen vor, dass die Antwort in kraftvollen Winden ausströmenden Materials liegt, die vom Quasar selbst erzeugt werden. "Die Umgebung um schnell wachsende Schwarze Löcher gilt als gewaltsam und hochdynamisch. Die Energie, die frei wird, wenn Materie in das Schwarze Loch hineinspiralt, ist so immens, dass sie es schafft einen Teil des Materials hinauszuschieben und mächtige Winde aus Gas und Staub zuerzeugen, die nach außen schießen. Diese Winde blasen hinaus, selbst während gleichzeitig neue Materie nach innen spiralt", erklärt der Leiter der Studie, Dr. Antonis Georgakakis vom Nationalen Observatorium von Athen.
Das ausgestoßene Material kann wie eine Wolke oder ein Vorhang wirken, der das durch den Wachstumsprozess erzeugte Röntgenlicht vorübergehend blockiert und zu den erratischen Röntgenfluss-Schwankungen führt, die wir mit unseren Teleskopen beobachten. Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Zugang zur Erforschung der turbulenten Bedingungen in schnell wachsenden Schwarzen Löchern.
Das entscheidende Merkmal von eROSITA, das diese Entdeckung ermöglicht hat, ist seine Durchmusterung des gesamten Himmels im Halbjahresrhythmus. Diese Strategie liefert die bislang empfindlichsten Röntgenbeobachtungen über so große Himmelsareale. Seit seinem Start hat eROSITA vier vollständige Himmelsdurchmusterungen abgeschlossen und der Astronomie einen neuartigen Zeitrafferblick auf den Kosmos verschafft.
"Diese wiederholten Beobachtungen verfolgen die zeitlichen Veränderungen der Intensität des Röntgenlichts einzelner Quasare und machen eROSITA zum idealen Instrument, um das Röntgenflackern zu untersuchen wenn schwarze Löcher Materie verschlingen", erläutert Dr. Mara Salvato, eROSITA-Sprecherin und Mitautorin der wissenschaftlichen Arbeit. Das internationale Team entwickelte neuartige statistische Methoden, um die eROSITA-Daten zu analysieren und das Potenzial dieser herausragenden Beobachtungen voll auszuschöpfen.
"Oft sinkt der Röntgenfluss einer Quelle so stark, dass die Quelle für eROSITA’s Empfindlichkeit effektiv unsichtbar wird und wir statt einer genauen Messung nur eine Obergrenze für den Fluss erhalten", erklärt Maurizio Paolillo, Professor an der Universität Neapel Federico II und Mitautor der Studie. "Traditionelle Analysemethoden ignorieren diese 'versteckten' Informationen meist. Unser neuer statistischer Ansatz ist speziell darauf ausgelegt, diese Obergrenzen auszunutzen und verbessert unsere Einschränkungen der Variabilitätseigenschaften von Quasaren erheblich."
Die neue Entdeckung eröffnet weitere Möglichkeiten, die harschen Bedingungen in schnell wachsenden Schwarzen Löchern zu untersuchen. Das Team wird zudem andere Hypothesen prüfen, die das zusätzliche Flackern verursachen könnten.
