Der außergewöhnliche Kern der Galaxie Arp 220 (Originalartikel vom 18.02.2018)

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Eine Chandra-Röntgenaufnahme der ultraleuchtkräftigen, verschmelzenden Galaxie Arp 220. Astronomen, welche die Röntgenstrahlung untersuchen, sind zu dem Schluß gekommen, daß Akkretion auf das supermassereiche Schwarze Loch im Kern nur einen bescheidenen Anteil zur Leuchtkraft der Galaxie im Vergleich mit der Sternentstehung beiträgt. NASA / SAO / CXC / J. McDowell

Die Galaxie Arp 220 ist ultraleuchtkräftig (wird definiert als mehr wie ungefähr das 300-fache der Leuchtkraft unserer eigenen Galaxis) und mit einer Entfernung von nur rund 260 Millionen Lichtjahren die zu unserer Milchstraße am nächsten gelegene ultraleuchtkräftige Galaxie. Noch spektakulärere Galaxien können Leuchtkräfte besitzen, die so viel wie das zehnfache heller sind und Astronomen arbeiten nach wie vor an den Gründen für diese gewaltigen Energieausstöße. Die beiden wichtigsten in Verdacht stehenden Prozesse für diese Energieausstöße sind zum einen Sternentstehungsausbrüche, die viele heiße, junge Sterne hervorbringen, oder zum anderen die Akkretion von Material auf die supermassereichen Schwarzen Löcher im Kern einer Galaxie – ein aktiver galaktischer Kern (active galactic nucleus = AGN). Als das nächstgelegene Beispiel ist Arp 220 einer der besten Orte, um diese unterschiedlichen Gedankenspiele zu untersuchen; doch sind Beobachtungen schwierig, denn was immer die Aktivität in Arp 220 mit Energie versorgt, ist tief in Staub eingebettet und die Kernregion bei optischen Wellenlängen unsichtbar.

Nach der Erklärung mittels Sternentstehung sollten viele heiße, junge Sterne entstehen, mit viel ultraviolettem Licht und Supernovae, die sich aus dem Tod der massereichsten und kurzlebigen Sterne ergeben. Die Erklärung mit dem AGN verlangt heißeres Gas mit mehr Röntgenstrahlung und ganz bestimmte Merkmale im Spektrum. Bisher sind Hinweise für beide Vorgänge entdeckt worden. Astronomen haben meist den Schluß gezogen, daß Sterne mit einer Rate von ungefähr zehntausend Sonnenmassen pro Jahr gebildet werden, dieser Prozeß damit die zu beobachtende Leuchtkraft dominiert und der AGN nur mäßig, mit weniger als 25%, zu dem Energieausstoß beträgt.

Doch zu dem Zauber und Rätsel von Arp 220 kommt zusätzlich die Tatsache, daß Arp 220 aus zwei verschmelzenden Galaxien besteht und deren beide galaktischen Kerne, die gegenwärtig nur ungefähr tausend Lichtjahre auseinanderliegen, sich einer Vereinigung nähern. Dies macht den vergleichsweise geringen Energieausstoß des Kerns rätselhaft: Simulationen von Galaxienverschmelzungen deuten an, daß die Akkretionsrate dicht beieinander liegender Kerne ansteigt und deren Leuchtkraft die Strahlung dominiert, ja sogar 80% der Gesamtleuchtkraft übersteigt. Zudem haben Beobachtungen an Kernen mit supermassereichen Schwarzen Löchern generell gezeigt, daß Schwarze Löcher in größeren Galaxien systematisch größer sind; dies würde man auch erwarten, denn wenn Galaxien bei einer Verschmelzung wachsen, wachsen ihre Schwarzen Löcher durch akkretiertes Material ebenfalls und strahlen dabei.

Die Astronomen Alessandro Paggi, Giuseppina Fabbiano, Guido Risaliti, Margarita Karovska, Martin Elvis, W. Peter Maksym und Jonathan McDowell vom CfA und zwei Kollegen erlangten mit dem Chandra-Röntgen-Observatorium neue Daten, die es in Verbindung mit archivierten Chandra-Daten erlaubten, im Röntgenlicht die Strahlung von extrem heißem atomarem Eisen und Kalium an zwei Orten zu identifizieren, die mit den beiden Kernen übereinstimmen. Diese Linien können entweder durch Supernovae (eine Folge der Sternentstehung) oder durch einen AGN entstehen. Die Wissenschaftler untersuchten diese und verwandte Daten und kommen zu dem Schluß, daß höchstwahrscheinlich Supernovae die Hauptquelle der Strahlung sind, und daß, in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen, der Beitrag des AGN nur bescheiden ist. Sie schätzen, daß auch die Massen der beiden Schwarzen Löcher relativ bescheiden sind, nur etwa zehntausend Sonnenmassen für jedes Schwarze Loch. Eine Folgerung in dieser Veröffentlichung ist, daß die Verschmelzung bis jetzt noch nicht zu dem Stadium gelangt ist, bei dem ungestüme Akkretion auf das Schwarze Loch die Galaxie hell aufleuchten läßt.

Literatur:
„X-Ray Emission from the Nuclear Region of Arp 220“
Alessandro Paggi, Giuseppina Fabbiano, Guido Risaliti, Junfeng Wang, Margarita Karovska, Martin Elvis, W. Peter Maksym, Jonathan McDowell, and Jay Gallagher
The Astrophysical Journal 841, 44, 2017

oder

arXiv:1705.01547v2 [astro-ph.GA] 11 May 2017

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