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Schwarze-Loch-Winde sind 100-mal stärker als bisher gedacht
Kosmische Fernwirkung: Im Galaxienhaufen H1821+643 bewegt sich heißes Gas noch in bis zu rund 300.000 Lichtjahren Entfernung ungewöhnlich heftig. XRISM-Messungen deuten darauf hin, dass der zentrale Quasar mindestens hundertmal effizienter Energie in seine Umgebung einkoppelt als frühere Beobachtungen ähnlicher Winde erwarten ließen. Damit könnte Quasar-Feedback weit über die Heimatgalaxie hinausreichen.
Sendai (Japan). Supermassereiche Schwarze Löcher können ihre Umgebung nicht nur durch einfallende Materie prägen. Aktive Exemplare treiben auch Jets und schnelle Winde an, die Gas erhitzen und bewegen. Wie viel Energie besonders leuchtkräftige Quasare jenseits ihrer eigenen Galaxie übertragen, war jedoch bislang kaum direkt messbar.
Eine seltene Gelegenheit bietet H1821+643, ein rund 3,4 Milliarden Lichtjahre entferntes Galaxienhaufensystem mit einem außergewöhnlich hellen Quasar im Zentrum. Forscher der Tohoku University um Dr. Satoshi Yamada haben das System mit der X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) untersucht. Dabei analysierte das Team die Röntgenlinien hoch ionisierten Eisens im heißen Gas des Haufens.
„Schwarze Löcher sind vor allem dafür bekannt, Materie anzuziehen, aber sie stoßen auch Gas in Form starker Winde aus. Man nahm an, dass diese Winde innerhalb der Galaxie bleiben, doch unsere Studie zeigte, dass ihre Kraft immens viel größer ist als bisher angenommen“, sagt Satoshi Yamada.
Die Spektren zeigen eine Geschwindigkeitsstreuung von ungefähr 300 Kilometern pro Sekunde. Selbst wenn die Forscher Resonanzstreuung in den Eisenlinien berücksichtigen, ergibt sich ein Wert von rund 283 Kilometern pro Sekunde. In nahen Galaxienhaufenkernen ohne große Verschmelzungen liegen vergleichbare Werte dagegen bei höchstens etwa 160 Kilometern pro Sekunde.
Mehr als 90 Prozent der untersuchten Eisenlinien stammen aus einem Bereich zwischen 20 und 100 Kiloparsec vom Zentrum, also aus etwa 65.000 bis 326.000 Lichtjahren Entfernung. Die Linienbreite bildet dabei nicht nur Turbulenz ab, sondern kann auch Scherbewegungen oder radiale Gasströme enthalten. Klar ist jedoch, dass sich das heiße Gas in H1821+643 ungewöhnlich heftig bewegt.
„Dieser Durchbruch wurde durch die beispiellose Fähigkeit von XRISM möglich, die Bewegungen von heißem, Röntgenstrahlung aussendendem Gas zu messen. Dadurch konnten wir die Turbulenz um das Schwarze Loch im Detail erkennen“, erklärt Prof. Claudio Ricci von der University of Geneva (UNIGE).
Aus der gemessenen Gasbewegung leiten die Autoren einen Anteil nichtthermischer Energie von rund 8,4 Prozent ab. Für das Gas zwischen 20 und 100 Kiloparsec entspricht das etwa 4 × 10⁶⁰ Erg. Diese Bewegungsenergie ist mehr als eine Größenordnung höher als die mechanische Energie, die zuvor den schwachen Radiojets des Quasars zugeschrieben wurde.
Die entscheidende Abschätzung betrifft die Kopplung zwischen Quasar und Umgebung. Falls ein vom Quasar angetriebener Stoß die starken Gasbewegungen erzeugt hat, liegt die übertragene Energie jenseits der Galaxie konservativ bei mindestens einem Prozent der verfügbaren Strahlungsenergie. Wird zusätzlich die thermische Energie innerhalb eines angenommenen Stoßradius von rund 100 Kiloparsec einbezogen, steigt die Schätzung auf mindestens zehn Prozent. Frühere Beobachtungen ähnlich großräumiger ionisierter Quasarwinde lagen bei höchstens 0,01 Prozent.
„Zum ersten Mal haben wir gezeigt, dass Schwarze Löcher die weitere kosmische Umgebung durch eine Stoßwelle von erstaunlicher Stärke beeinflussen. Schwarze Löcher sind wichtige Treiber von Gasströmen und Bewegungen im Weltraum und transportieren enorme Energiemengen in unterschiedliche Regionen des Kosmos“, ergänzt Satoshi Yamada.