Astronomen haben den ersten direkten Beobachtungsnachweis für einen Zusammenhang zwischen den zentralen Schwarzen Löchern und den Sternentstehungsraten von Galaxien erbracht. Dazu nutzten sie eine Durchmusterung, die für zahlreiche Galaxien die Massen der supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum bestimmt hatte. Aus den Galaxienspektren konnten sie rekonstruieren, wann dort wie viele Sterne entstanden waren. Die Masse des Schwarzen Lochs und die Sternentstehungsrate waren miteinander verknüpft - ein seit längerem vermuteter Zusammenhang, demzufolge Schwarze Löcher die Sternentstehung um sich herum behindern können. Die Ergebnisse erschienen jetzt in der Fachzeitschrift Nature.

Im Zentrum (fast) jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse zwischen einigen hunderttausend und einigen Milliarden Sonnenmassen. Astronomen wissen seit Jahrzehnten, dass es eine ungewöhnliche Verbindung zwischen diesem Schwarzen Loch und den Sternen einer Galaxie gibt. Simulationen, mit denen die Entwicklung der Galaxien vom Urknall bis heute nachvollzogen wird, nehmen routinemäßig einen Zusammenhang zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Produktivität an, mit der eine Galaxie neue Sterne bildet.

Nun hat eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Ignacio Martín-Navarro (University of California Observatories und Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA], Heidelberg) den ersten Beobachtungsnachweis für eine direkte Korrelation zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der Sternentstehungsgeschichte von Galaxien erbracht.

Als vor rund 15 Jahren entdeckt wurde, dass die Masse des zentralen Schwarzen Lochs einer Galaxie und die Gesamtmasse der Sterne der Galaxie zusammenhängen, war recht bald klar, dass die Astronomen einer Schlüsseleigenschaft von Galaxien auf der Spur waren. Allerdings stellte sich auch die Frage: Wie konnten die Sterne, die über die ganze Galaxie verteilt sind, und das vergleichsweise kleine schwarze Loch im Zentrum der Galaxie sich gegenseitig beeinflussen?

Eine mögliche Verbindung ist vergleichsweise einfach: Massivere Galaxien können größere Mengen an Gas sammeln, wodurch sowohl mehr Sterne als auch ein massiveres zentrales Schwarzes Loch entstehen.

Aber es wird seit einiger Zeit vermutet, dass es zusätzlich einen kleineren, gegensätzlichen Einfluss gibt, der darin besteht, dass die wachsenden Schwarzen Löcher die Entstehung von Sternen hemmen. Die grundlegende Physik ist recht einfach: Wenn schwarze Löcher wachsen, während Materie in sie hineinfällt, werden enorme Mengen an Energie freigesetzt. Wird diese Energie auf das Gas innerhalb und um die Galaxie herum übertragen - etwa durch Strahlung oder durch die Teilchenstrahlen, die häufig mit einfallenden Materieteilchen einhergehen - dann es schwieriger, dass aus dem betreffenden Gas neue Sterne entstehen. Gas muss kalt sein, damit Regionen darin kollabieren und neue Sterne entstehen können, und die zugeführte Energie erwärmt das Gas. Bei größeren schwarzen Löchern ist der Effekt stärker ausgeprägt.

Solche Feedback-Effekte sind fester Bestandteil von Simulationen der Strukturbildung im Universum. Ohne sie lassen sich mit den Simulationen keine realistischen Sternentstehungsraten vorhersagen - ohne Feedback würden die simulierten Galaxien viel zu viele Sterne produzieren!

Was bislang allerdings noch fehlte waren Beobachtungsdaten, welche die Sternentstehungsraten von Galaxien direkt mit den Eigenschaften der Schwarzen Löcher verknüpften. Martín-Navarro und seine Kollegen machten sich auf die Suche und nutzten dazu Daten aus dem Massive Galaxy Survey mit dem Hobby-Eberle-Teleskop, einer systematischen Studie des ehemaligen MPIA-Wissenschaftlers Remco van den Bosch. Für 74 der untersuchten Galaxien konnte die Masse des zentralen Schwarzen Lochs direkt gemessen werden.

Jüngere und ältere Sterne hinterlassen unterschiedliche Spuren im Spektrum des Lichts einer Galaxie. Auf diese Weise konnten die Astronomen für die von ihnen untersuchten Galaxien die Sternentstehungsgeschichte der letzten 12,5 Milliarden Jahre rekonstruieren.

Die Ergebnisse zeigen deutlich den dämpfenden Einfluss des Schwarzen Lochs auf die Sternentstehungsrate. Generell gilt nach wie vor die allgemeine Relation: Galaxien mit größerer Gesamtmasse der Sterne haben auch massereichere zentrale Schwarze Löcher. Entscheidend sind die Abweichungen von dieser Relation: Galaxien, bei denen die Sternmasse kleiner ausfällt als für ein Schwarzes Loch der gegebenen Masse erwartet, weisen tatsächlich geringere Sternentstehungsraten auf; für Galaxien mit einer größer als der erwarteten Sternmasse sind die Sternentstehungsraten höher.

Tatsächlich scheint dieser Zusammenhang zwischen Schwarzem Loch und Sternentstehungsrate enger zu sein als die eigentliche Relation zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Gesamtmasse der Sterne der Galaxie - und zudem ist er offenbar unabhängig von zusätzlichen Parametern wie der Form der Galaxie oder der Sterndichte.

Der Zusammenhang lässt sich bis weit in die Vergangenheit zurückverfolgen. Nicht nur, dass die Galaxien mit massereicheren zentralen Schwarzen Löchern als erwartet jetzt weniger Sterne produzieren. Seit 12,5 Milliarden Jahren produzieren sie kontinuierlich weniger Sterne. Dies ist ein deutlicher Beleg für einen direkten, langfristigen Zusammenhang zwischen der Sternentstehungsrate und dem zentralen Schwarzen Loch.

Nun sind die Theoretiker an der Reihe, um die physikalischen Prozesse zu erklären, auf denen der Zusammenhang beruht. Jedenfalls können sie ihre Erklärungsmodelle jetzt anhand der Beobachtungsdaten testen, die Martín- Navarro und Kollegen gewonnen haben.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als Martín-Navarro et al., "Black-hole regulated star formation in massive galaxies", in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Ignacio Martín-Navarro (außerdem University of California Observatories) und Glenn van de Ven (außerdem ESO), in Zusammenarbeit mit Jean P. Brodie (University of California Observatories), Aaron J. Romanowski (University of California Observatories und San José State University) und Tomás Ruiz-Lara (Instituto de Astrofísica de Canarias und Universidad de La Laguna).