Den Ursprüngen rätselhafter Gaswolken in der Nähe des galaktischen Zentrums auf der Spur

Jüngste Beobachtungen und Simulationen eines Forschungsteams unter Leitung des MPE deuten darauf hin, dass ein massereicher Doppelstern nahe des Zentrums unserer Galaxie für die Entstehung einer Reihe rätselhafter Gaswolken verantwortlich sein könnte – kompakte Gaswolken, die zur Speisung des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* beitragen.

Das Zentrum unserer Milchstraße ist ein bemerkenswert dichter und dynamischer Bereich. In seinem Herzen befindet sich das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*), umgeben von Sternen, Gas und Staub, die sich unter extremen Gravitationskräften bewegen. Diese Umgebung bietet ein natürliches Versuchslabor, um zu untersuchen, wie sich Materie in der Nähe eines Schwarzen Lochs verhält und wie diese Objekte mit neuem Material versorgt werden.

In den letzten zwanzig Jahren haben Astronominnen und Astronomen mithilfe von Infrarotbeobachtungen mehrere kompakte Gaswolken in der Nähe von Sgr A* entdeckt. Diese „Klumpen“ sind wichtige Hinweise darauf, wie Gas letztendlich das Schwarze Loch erreichen könnte. Doch ihr genauer Ursprung und die physikalischen Prozesse, die sie formen, blieben bislang unklar.

Die G-Wolken: Eine immer größer werdende Familie

Im Jahr 2012 identifizierten Astronomen eine erste, kompakte, ionisierte Gaswolke namens G2. Sie hat eine Masse von wenigen Erden und emittiert Licht von Wasserstoff und Helium, was typisch für heißes, staubhaltiges Gas ist. G2 folgt einer langgestreckten Umlaufbahn um Sgr A* und weist eine schwache Nachlaufstruktur auf, G2t. Eine erneute Betrachtung früherer Beobachtungen ergab kurz darauf ein ähnliches Objekt, G1, das sich auf einer vergleichbaren Umlaufbahn bewegte.

Es wurde vermutet, dass G1, G2 und G2t dichtere Regionen innerhalb eines gemeinsamen Gasstroms sind. Moderate Dichtefluktuationen können zu einem klumpigen Erscheinungsbild führen, da die Helligkeit einer Wolke mit dem Quadrat ihrer Dichte zunimmt. Kürzlich fanden Forschende heraus, dass sich Gas aus dem Schweif von G2 zu einem dritten kompakten Klumpen verdichtet hat, der sich auf einer ähnlichen Bahn bewegt; man könnte ihn nun G3 nennen, wäre dieser Name nicht bereits einem anderen Objekt zugewiesen worden. Zusammen bilden diese Objekte eine zusammenhängende Struktur – den G1–2–3-Streamer –, der Material enthält, das durch das galaktische Zentrum fließt.

Berechnungen zeigen, dass der Einfall eines solchen Klumpens, etwa eine Erdmasse pro Jahrzehnt, genügend Material liefern könnte, um die aktuelle Aktivität von Sgr A* aufrechtzuerhalten. Das Verständnis, wie sich diese Klumpen bilden, ist daher entscheidend, um zu erklären, wie das Schwarze Loch mit Energie versorgt wird.

Auf der Suche nach der Quelle

Als Ursachen wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen: Sternwinde massereicher Sterne, explosive Ereignisse wie Novae oder das Abreißen von Materie durch Gezeitenkräfte von Sgr A*. Um diese Ideen zu überprüfen, setzte ein internationales Team unter der Leitung des MPE die mit adaptiver Optik ausgestatteten Spektrografen SINFONI und ERIS ein, die eine hochauflösende Infrarotspektroskopie ermöglichen. Mit Fokus auf die Wasserstoff-Brackett-γ-Emissionslinie rekonstruierten sie die Umlaufbahnen der drei Wolken anhand ihrer Positionen und Geschwindigkeiten.

Die Analyse ergab, dass G1, G2 und G2t Umlaufbahnen mit nahezu identischer Ausrichtung und Form beschreiben. Die Wahrscheinlichkeit, dass drei unabhängige Objekte derart spezifische Umlaufbahnparameter aufweisen, ist verschwindend gering. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung aller drei Klumpen hin.

Ein Doppelstern als Schöpfer

Durch die Rückverfolgung der Bewegungen des Gasstroms im Raum und anhand der Radialgeschwindigkeit identifizierte das Forschungsteam eine mögliche Quelle: das massereiche Doppelsternsystem IRS16SW, das sich in der im Uhrzeigersinn umlaufenden Scheibe junger Sterne um SgrA* befindet. Die geringen Unterschiede zwischen den Umlaufbahnen der G-Wolken lassen sich durch die eigene Umlaufbewegung des Doppelsternsystems erklären.

Hydrodynamische Simulationen stützen diese Schlussfolgerung zusätzlich. Sie zeigen, dass sich Gasklumpen dort bilden können, wo die Sternwinde des Doppelsterns mit dem umgebenden Medium kollidieren und einen Stoß zwischen den beiden Sternen erzeugen. Dort sammelt sich Gas an und wird komprimiert, bis es sich schließlich als einzelne Klumpen ablöst, die sich nach innen bewegen – ähnlich wie es im G1–2–3-Strom beobachtet wird.

Was bedeutet das?

Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Sternwinde von massereichen Sternen im Zentrum der Galaxie das Schwarze Loch kontinuierlich mit Material versorgen können. Das Forschungsergebnis verbindet Sternentwicklung, Gasdynamik und die Nahrungsaufnahme des Schwarzen Lochs zu einem schlüssigen Gesamtbild – und zeigt, wie Sternentstehung und das Wachstum des Schwarzen Lochs sogar in unserer eigenen Galaxie miteinander verknüpft sein könnten.