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Staub verschleiert den Einfluss eines Schwarzen Lochs auf seine Galaxie
Im Zentrum der nahen Galaxie NGC 1068 treibt ein aktives Schwarzes Loch Gas mit bis zu rund 2.000 Kilometern pro Sekunde nach außen. Neue Infrarotbeobachtungen zeigen, dass klassische optische Messungen den Großteil des ionisierten Ausstroms übersehen und seine Masse, Leistung und Wirkung auf die Galaxie daher stark unterschätzen.
Bologna (Italien). Aktive Schwarze Löcher können ihre Umgebung weit über die unmittelbare Akkretionsscheibe hinaus verändern. Ein Teil der Energie, die beim Einfall von Materie frei wird, treibt Gas aus dem Galaxienzentrum nach außen. Solche Winde können den Nachschub für das Schwarze Loch verringern und zugleich das Gas beeinflussen, aus dem neue Sterne entstehen.
Wie stark dieser Rückkopplungseffekt tatsächlich ist, lässt sich jedoch nur bestimmen, wenn die Masse und Geschwindigkeit des abströmenden Gases bekannt sind. Gerade in staubreichen Galaxienkernen ist das schwierig, weil sichtbares Licht einen Teil des Materials nicht erfasst. NGC 1068, auch Messier 77 genannt, liegt rund 45 Millionen Lichtjahre entfernt und besitzt einen besonders gut untersuchten aktiven Galaxienkern.
Für die neue Studie hat ein internationales Team Daten des James-Webb-Weltraumteleskops mit optischen Beobachtungen des Very Large Telescope sowie Archivdaten weiterer Teleskope kombiniert. Im Mittelpunkt standen Spektren des Mittelinfrarot-Instruments MIRI und des optischen Instruments MUSE. Damit konnten die Forscher die Bewegung und physikalischen Eigenschaften des ionisierten Gases bis in einige hundert Parsec Entfernung vom Galaxienkern vergleichen.
Entscheidend ist der Vergleich zweier Emissionslinien. Die optische [O III]-Linie reagiert stark auf Staub, während die im mittleren Infrarot liegende [O IV]-Linie wesentlich weniger abgeschwächt wird. Die Infrarotdaten zeigen eine staubreiche Gas-Komponente, die in klassischen optischen Messungen weitgehend verborgen bleibt. Zugleich bewegt sich das mit [O IV] erfasste Gas im Mittel rund 300 Kilometer pro Sekunde schneller als der optisch sichtbare Anteil.
Die Modelle ergeben Geschwindigkeiten von bis zu etwa 2.000 Kilometern pro Sekunde. An den Rändern von Wind und Radiojet fanden die Forscher zudem sehr dichte Gasklumpen. Insgesamt sprechen die räumlich aufgelösten Daten dafür, dass der aktive Galaxienkern die wichtigste Energiequelle für das ionisierte Gas in diesem Bereich ist.
Der Unterschied wirkt sich stark auf die berechnete Masse und Energetik des Galaxienwinds aus. Die kombinierte Modellierung mit den Verfahren HOMERUN und MOKA3D ergibt für die beiden untersuchten Gas-Tracer jeweils mehrere Millionen Sonnenmassen ionisierten Materials. Standardverfahren, die mit vereinfachten Annahmen arbeiten, liefern dagegen Werte, die bis zu etwa zwei Größenordnungen niedriger liegen.
Besonders deutlich wird das bei der Massenausflussrate. Für das mit [O IV] verfolgte Gas ergeben die Modelle rund 83 Sonnenmassen pro Jahr, für [O III] etwa 60 Sonnenmassen pro Jahr. Die zum Vergleich angewandte Standardmethode kommt dagegen nur auf ungefähr 0,4 beziehungsweise 1,2 Sonnenmassen pro Jahr. Der Unterschied entsteht vor allem, weil das Infrarot den staubverhüllten Anteil sichtbar macht und die neue Modellierung die Umrechnung von Linienleuchtkraft in Gasmasse anders bestimmt.
Damit ändert sich auch die Einschätzung, wie stark das Schwarze Loch seine Wirtsgalaxie beeinflusst. Die berechnete kinetische Leistung und der Impuls des Winds liegen wesentlich höher als bei der herkömmlichen Auswertung. Die Werte passen zu einem energiekonservierenden Wind, bei dem ein großer Teil der ursprünglichen Energie in die Bewegung des Gases übergeht.
Nach den Geschwindigkeitsmodellen bewegt sich das ausströmende Gas in den untersuchten Entfernungen deutlich schneller als die berechnete Fluchtgeschwindigkeit. Ein beträchtlicher Anteil dürfte deshalb nicht wieder zum Galaxienzentrum zurückfallen. Der Wind könnte damit sowohl den Nachschub des Schwarzen Lochs als auch den Vorrat an Gas für künf