Das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) der National Science Foundation und Partnerinstitutionen gaben kürzlich bekannt, dass Astronomen zum ersten Mal in Beobachtungsdaten den kosmischen Hochtemperaturwind klar erfasst haben, der vom supermassiven Schwarzen Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße emittiert wird, und damit einen direkten Beweis für ein halbes Jahrhundert theoretischer Schlussfolgerungen liefern.
Wenn ein Schwarzes Loch umgebendes gasförmiges Material verschluckt, wird der astrophysikalischen Theorie zufolge nicht nur ein Teil davon in den Ereignishorizont gesaugt, sondern auch ein Teil des Materials in Form von Jets oder Winden nach außen geschleudert. Allerdings konnte dieser „Wind“ des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße nicht eindeutig beobachtet werden.
Diese Forschung basiert auf dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array Telescope (ALMA) in Chile. Basierend auf mehrjährigen Beobachtungen hat das wissenschaftliche Forschungsteam die bisher detaillierteste Karte der Verteilung von kaltem Gas um Sagittarius A* erstellt und direkte Spuren gefunden, die das „Atmen“ des Schwarzen Lochs hinterlassen hat.
Forscher beobachten seit langem die Strahlung von Kohlenmonoxidmolekülen im 1,3-Millimeter-Wellenband in einem Umkreis von etwa 1 Parsec (etwa 3 Lichtjahre) von Sagittarius A*. Diese Art von Molekülen ist ein typischer Indikator für kalte molekulare Gase und hilft bei der Beschreibung der räumlichen Struktur von kaltem Gas in der Nähe des Schwarzen Lochs.
Da die Radiostrahlungsintensität von Sagittarius A* selbst hoch ist und sich mit der Zeit schnell ändert, modellierte und subtrahierte das Team zunächst sorgfältig die hellen Radiosignale des Schwarzen Lochs selbst, um „Blendstörungen“ so weit wie möglich zu eliminieren.
Nachdem sie die starke Strahlung des Schwarzen Lochs „subtrahiert“ hatten, konnten die Forscher die extrem schwache und komplexe Struktur des kalten Gases in der Umgebung erkennen und zufällig einen riesigen kegelförmigen Hohlraum entdecken – der auf der Karte der Kaltgasverteilung als offensichtlich fehlender Bereich erschien und dessen geometrische Form direkt auf Sagittarius A* zeigte.
Um die physikalischen Eigenschaften dieser Struktur zu bestätigen, verglich das wissenschaftliche Forschungsteam auch Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA und stellte fest, dass derselbe Weltraumbereich mit Röntgenstrahlung gefüllt ist, die von Hochtemperaturgasen emittiert wird.
Dies zeigt, dass in diesem kegelförmigen Hohlraum nicht einfach Material fehlt, sondern dass er durch den Hochtemperaturwind gefüllt wird, der vom Schwarzen Loch angetrieben wird; Dieser Wind „fegt“ entweder das ursprüngliche Kaltgas „weg“ oder erhitzt es auf eine hohe Temperatur, sodass es nicht mehr in Form von Kaltgas auftritt.
Untersuchungen zeigen, dass die auf ALMA-Daten erstellte Kaltgasverteilungskarte etwa 100-mal empfindlicher ist als frühere ähnliche Kohlenmonoxid-Beobachtungen und ihre räumliche Auflösung etwa 80-mal höher ist. Es ist die bisher klarste und empfindlichste Beobachtung von kaltem Gas im 1-Parsec-Bereich in der Nähe von Sagittarius A*.
Auf dieser Grundlage identifizierten Wissenschaftler nicht nur zum ersten Mal eindeutig die durch Schwarze Löcher verursachte Ausflussstruktur im Zentrum der Milchstraße, sondern lösten auch das Problem des „fehlenden Windes“, das das Feld seit Jahrzehnten plagt, und bewiesen, dass das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße auch heftig mit der Umgebung in Form von Wind interagiert.
Das wissenschaftliche Forschungsteam schätzt, dass dieser von Sagittarius A* geblasene Hochtemperaturwind mindestens 20.000 Jahre anhält, was zeigt, dass das Schwarze Loch langfristig und stabil Energie und Impuls nach außen abgibt.
Allerdings ist dieser Wind im Zentrum der Milchstraße im Vergleich zu den riesigen, hellen Jets, die in den Zentren einiger anderer Galaxien sichtbar sind, relativ „mild“ und bildet keine extrem heftige Jet-Struktur. Stattdessen verändert es die gasökologische Umgebung im Zentrum der Milchstraße auf eine „zurückhaltendere“ Art und Weise.
Wissenschaftler wiesen darauf hin, dass diese Entdeckung dazu beiträgt, das Verständnis der Menschen für die „Fütterungs-“ und „Rückkopplungs“-Prozesse supermassiver Schwarzer Löcher zu vertiefen: Einerseits akkretieren Schwarze Löcher umgebendes Gas, um Energie zu gewinnen, andererseits werden Energie und Materie durch Ausflüsse oder Jets wieder in das Zentrum der Galaxie injiziert und beeinflussen dadurch makroskopische Prozesse wie Sternentstehung und Gaszirkulation.
Als Heimatgalaxie der Menschheit sind der „Atem“-Rhythmus und das Muster ihres zentralen Schwarzen Lochs in der Milchstraße von großer Bedeutung für das Verständnis der Gesamtentwicklung der Galaxie. Diese Beobachtung liefert eines der bisher klarsten empirischen Beispiele.
Als Schlüsselausrüstung für diesen Erfolg ist ALMA eine große internationale astronomische Einrichtung, die vom Europäischen Südobservatorium, der National Science Foundation der Vereinigten Staaten und dem National Institute of Natural Science of Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile gebaut und betrieben wird. Ziel ist es, die Gas- und Staubstruktur im kalten Universum mithilfe von Millimeter- und Submillimeterwellenbereichen zu beobachten.
Das National Radio Astronomy Observatory ist im Auftrag Nordamerikas für den Bau und Betrieb von ALMA verantwortlich. Es ist eine wichtige Radioastronomie-Beobachtungsplattform der National Science Foundation und bietet offene und fortschrittliche Beobachtungsmöglichkeiten für die globale Astronomiegemeinschaft.
Nach Angaben einschlägiger Behörden füllt der erste eindeutige Beweis für das „Atmen“ von Sagittarius A* nicht nur eine Lücke zwischen Theorie und Beobachtung, sondern öffnet auch ein neues Fenster für die künftige gemeinsame Erkundung des Milchstraßenzentrums mit Multiband- und Multigeräten.
Da sich längerfristige Basislinien und Beobachtungen mit höherer Präzision weiter häufen, wird von den Menschen erwartet, dass sie die Entwicklungsgeschichte dieses kosmischen Windes weiter charakterisieren und seinen tiefgreifenden Einfluss auf die Gasverteilung und Sternentstehungsaktivitäten im Zentrum der Milchstraße beurteilen.