Gigantische Stürme fegen Galaxien leer

In den Zentren vieler aktiver Galaxien toben riesige Sturmwolken aus molekularem Gas. Sie können den gesamten Gasnachschub einer Galaxie wegblasen und so die weitere Sternbildung und das Anwachsen des Schwarzen Lochs im Zentrum stoppen. Das zeigen neue Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Herschel, die jetzt im „Astrophysical Journal“ veröffentlicht wurden. Sie weisen erstmals systematisch die Bedeutung galaktischer Winde für die Entwicklung von Galaxien nach.

Weit entfernte Galaxien im frühen Universum zeigen viel mehr Aktivität als unsere Milchstraße heute. Erklärt wird dies in gängigen Entwicklungsmodellen dadurch, dass gasreiche Galaxien verschmelzen, was nicht nur zu erhöhter Sternentstehung in so genannten „Starburst“-Galaxien führt, sondern auch das Schwarze Loch im Zentrum anwachsen lässt. Plötzlich hört diese erhöhte Aktivität aber auf; in nur wenigen Millionen Jahren sinkt die Sternentstehungsrate rapide und auch das Schwarze Loch wächst nicht mehr weiter. In dieser – für kosmische Verhältnisse – kurzen Zeitspanne müssen gewaltige Mengen Rohmaterial, etwa eine Milliarde Sonnenmassen, aus der Galaxie entfernt werden. Doch welche physikalischen Prozesse sind hierfür verantwortlich?

Sturm bläst Gasnachschub aus Galaxie heraus

Eine Lösung für dieses Rätsel hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Eckhard Sturm vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) gefunden. Die Astronomen beobachteten einige besonders leuchtkräftige Infrarot-Galaxien mit dem PACS-Instrument an Bord des Herschel-Weltraumobservatoriums und entdeckten dabei starke, massereiche Winde aus kaltem, molekularem Gas.

Sie erreichen Windgeschwindigkeiten von teilweise mehr als 1.000 Kilometern pro Sekunde, viele tausendmal höher als bei Wirbelstürmen auf der Erde. Angetrieben von neu gebildeten Sternen, den Schockfronten von Sternexplosionen oder auch dem Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie könnten sie den Gasnachschub praktisch vollständig aus einer Galaxie entfernen und so genau die Aktivitäten zum Erliegen bringen, durch die sie überhaupt erst entstanden sind.

„Dass Galaxien molekulares Gas – und damit das Rohmaterial für die Sternentstehung – in gewaltigen Winden regelrecht wegblasen, ist ein essentieller Bestandteil in den Modellen zur Galaxienentstehung und -entwicklung, aber vor unseren Beobachtungen gab es keine eindeutigen Beweise dafür“, erklärt Sturm. „Mit diesem Nachweis von starken galaktischen Winden, die das kalte, molekulare Gas aus der Galaxie entfernen, können wir endlich direkt ihren Einfluss auf die Entstehung von Sternen beobachten. Der Nachschub für weitere Sternentstehung gerät damit sehr schnell ins Stocken – die Winde blasen bis zu tausend Sonnenmassen pro Jahr aus den Zentren der Galaxien heraus.“

Schematische Darstellung, wie die Winde aus molekularem Gas in den Spektren von Galaxien mit Herschel-PACS nachgewiesen werden können. Hierbei wird insbesondere die Spektrallinie des Hydroxyl-Moleküls (OH) benutzt, das einen sehr charakteristischen "Fingerabdruck" hat. Dabei überlagern sich die Emission der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs und die der Gaswolken selbst: Die Stahlung aus dem galaktischen Zentrum scheint durch die Gaswolken entlang der Sichtlinie, in denen das OH-Molekül das Licht absorbiert - und da sich diese Wolken auf uns zu bewegen, sind diese Absorptionslinien blau-verschoben. Gleichzeitig emittieren alle Gaswolken die OH-Linie, insbesondere diejenigen, die nicht genau auf der Sichtlinie zum Schwarzen Loch liegen, und bewegen sich dabei von uns weg, so dass uns ihr Licht rot-verschoben erreicht. © ESA/AOES Medialab

Erklärung für Wachstumsstopp des Schwarzen Lochs

Die Beobachtungen zeigen damit nicht nur einen Zwischenschritt in der Galaxienentwicklung, von Scheibengalaxien mit vielen jungen Sternen und einem hohen Gasanteil hin zu elliptischen Galaxien mit alten Sternpopulationen und wenig Gas. Sie erklären auch eine weitere empirische Beobachtung: Die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie und die Masse der Sterne im inneren Bereich der Galaxie scheinen korreliert zu sein. Eine solche Korrelation wäre eine natürliche Folge der jetzt gefundenen galaktischen Winde, da diese das gemeinsame Gasreservoir entfernen und somit sowohl die Sternentstehung als auch das Wachstum des Schwarzen Lochs unterbinden.

„Die Empfindlichkeit von Herschel erlaubt es uns zum ersten Mal diese gewaltigen galaktischen Stürme nachzuweisen“, sagt Mitautor Albrecht Poglitsch, der die Entwicklung des PACS-Instruments am MPE leitete. „Damit können wir nun auch zeigen, dass sie stark genug sein könnten, um die weitere Produktion von Sternen komplett einzustellen.“

Ursache der Winde noch unklar

Die Beobachtungen reichen noch nicht aus, die treibende Kraft hinter diesen Winden definitiv zu bestimmen. Allerdings scheint es zwei Kategorien zu geben: Galaxien mit starker Sternentstehung („Starburst“-Galaxien) verlieren bis zu einigen hundert Sonnenmassen an Gas pro Jahr, einer Menge, die ungefähr auch ihrer Sternentstehungsrate entspricht. Mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde werden diese Winde wahrscheinlich vom Strahlungsdruck der Sterne und Sternexplosionen angetrieben.

Galaxien, die durch das Schwarze Loch in ihrem Zentrum dominiert werden, verlieren sehr viel mehr Material, bis zu tausend Sonnenmassen pro Jahr und mehr; ihre Winde mit Geschwindigkeiten von etwa tausend Kilometern pro Sekunde werden wahrscheinlich hauptsächlich durch den Strahlungsdruck des aktiven Galaxienkerns verursacht. Um diese ersten Ergebnisse zu bestätigen und andere Eigenschaften der Winde zu klären, werden die Herschel-PACS Beobachtungen bei einer größeren Anzahl Galaxien fortgesetzt. (The Astrophysical Journal, 2011; DOI: 10.1088/2041-8205/733/1/L16)

(Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), 11.05.2011 – NPO)