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Nach dem gängigen Paradigma der heutigen Kosmologie ist das Universum ein lebendiges Ökosystem: Durch die Kräfte massiver schwarzer Löcher im Mittelpunkt der Galaxien fließen Gase in diese Galaxien hinein und aus ihnen heraus. Doch wie stark ist die Wirkung dieser massiven schwarzen Löcher auf die Evolution der Galaxie selbst?
Vor dieser Frage stand das explizit vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierte Projekt FEEDBACK. Und es hat eine Antwort gefunden.
Die Kraft des schwarzen Lochs
Die Forschungsarbeiten im Projekt befassten sich mit der Rückkopplung (Feedback) von aktiven Galaxienkernen (AGN) in Galaxien und Galaxiehaufen. „Ein aktiver Galaxienkern zeichnet sich durch ein helles und stark akkretierendes schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie aus“, sagt Andrew Fabian, Astronom an der Universität Cambridge und Hauptforscher im Projekt FEEDBACK. „Beim Feedback handelt es sich hingegen um Energie aus einem schwarzen Loch, die eine Galaxie, die milliardenfach größer ist als das schwarze Loch selbst, verändern kann.“
Fabian zufolge kann solches Feedback die Galaxie und ihre Umgebung auf mehrere Arten verändern: Zum einen wird Gas abgegeben, was die Bildung neuer Sterne verhindert und die Galaxie praktisch abtötet. Ausströmendes Gas kann zum anderen die Bildung neuer Sterne anregen und dadurch die Gestalt der Galaxie verändern. Oder das Gas kann sich erhitzen, wenn die Galaxie zu einem Galaxiehaufen gehört.
„Uns ging es um die Frage der Energieerzeugung innerhalb des Akkretionsflusses der schwarzen Löcher“, erklärt Fabian. „Dazu mussten wir nicht nur die Geometrie von Strom, Masse und Rotation des schwarzen Lochs sowie seine Energieerzeugungsprozesse untersuchen, sondern auch herausfinden wie die Energie auf die Umgebung einwirkt, insbesondere bei Galaxiehaufen.“
Als Akkretion wird in der Astrophysik die Ansammlung von Partikeln zu einem massiven Körper bezeichnet, wobei durch Gravitationskräfte immer mehr Materie angezogen wird. Galaxien, Sterne, Planeten und weitere astronomische Körper werden per Akkretion gebildet.
Neugier befriedigt
Ein Großteil der Forschungsarbeiten in FEEDBACK wurde über Beobachtung geleistet, also mit Röntgenteleskopen in Kombination mit einfacher Theorie und Modellierung. Im Februar 2016 machte beispielsweise der Satellit Hitomi mit tiefer Röntgenbestrahlung Aufnahmen des kalten Kerns im Perseushaufen. „Es ergaben sich Spektren mit hoher Auflösung – so etwas hatte es in der kosmischen Röntgenastronomie bis dato noch nicht gegeben“, ergänzt Fabian.
Weitere Beobachtungsstationen waren die NuSTAR-Gruppe aus Teleskopsatelliten im Orbit sowie das NICER-Teleskop (Neutron star Interior Composition Explorer) der NASA an der Internationalen Raumstation (ISS).
Aus deren Bildern schlussfolgerten die Forschenden, dass das Feedback aktiver Galaxienkerne für die Evolution einer Galaxie eine zentrale Rolle spielt – eine Erkenntnis, die das gängige Verständnis vom Universum um einiges erweitert. „Wenn man sieht, dass so exotische Objekte wie schwarze Löcher Galaxien verändern können, dann befriedigt das die lang gehegte Neugier, woher die größte Struktur des Universums eigentlich kommt“, so Fabian.
Ausgezeichnete Forschung
Für seine Arbeiten im Projekt FEEDBACK erhielt Fabian 2020 den von der Norwegischen Akademie der Wissenschaften verliehenen Kavli-Preis für Astrophysik. „Andrew Fabian, einer der profiliertesten und einflussreichsten Astronomen unserer Zeit, ist seit langem eine führende Persönlichkeit im Bereich der beobachtenden Röntgenastronomie, die sich mit einem breiten Themenspektrum von der Gasströmung in Galaxienhaufen bis hin zu supermassiven schwarzen Löchern im Herzen von Galaxien befasst“, wie es in einer Meldung der Akademie heißt. „Fabians breites Wissen und seine umfassenden Erkenntnisse über Faktoren so unterschiedlicher Dimensionen haben der Physik Einsichten darüber geliefert, wie diese zwei separaten Phänomene miteinander zusammenhängen.“
Einen Teil seines Erfolgs schreibt Fabian der EU-Finanzierung durch den Europäischen Forschungsrat zu, dank der er über mehr als fünf Jahre ein produktives Forschungsteam zusammenstellen und binden konnte. „Die flexible Finanzierung war ein Glücksfall für die Einstellung von Personal und Reisen zu Veranstaltungen“, ergänzt er. „Dadurch konnte sich das Team außerdem auf das exzellente wissenschaftliche Arbeiten konzentrieren.“
Zwei Forschende aus dem FEEDBACK-Team haben promoviert und sind jetzt in Vollzeit im akademischen Mittelbau tätig, zwei weitere haben Stipendien erhalten. Doch sie alle arbeiten weiter daran, die Geheimnisse des Universums zu lüften.