Erste Emissionslinien am Rande der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs

Zum ersten Mal haben uns die markanten Doppelpeaks in Emissionslinien, die im Herzen einer Galaxie entdeckt wurden, die Möglichkeit gegeben, die Ränder der hellen Scheibe um das zentrale Schwarze Loch zu erkunden. Dies hat nicht nur viele unserer Vermutungen über die Region um supermassive Schwarze Löcher bestätigt, sondern auch Messungen der Scheibe und des Lochs selbst ermöglicht.

Supermassereiche Schwarze Löcher und das in sie hineinströmende Material, sogenannte Akkretionsscheiben, formen ihre Galaxien – aber das meiste, was wir über sie wissen, beruht eher auf Modellierung als auf direkten Beobachtungen. Trotz der dramatischen Fortschritte des Event Horizon Telescope gibt es zu viele Hindernisse zwischen der Erde und dem Zentrum unserer Galaxie, um die Scheibe dort klar erkennen zu können. Unterdessen sind andere Galaxien so weit entfernt, dass wir ihre Scheiben nicht ausreichend auflösen können, um ihre Grenzen zu bestimmen, ganz zu schweigen davon, was an den äußeren Rändern passiert.

Das dachten zumindest Astronomen, bis die Beobachtungen der Galaxie III Zw 002 deutlich mehr ergaben als erwartet. Das beobachtete Spektrum dieser Galaxie, eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt, hat es brasilianischen Astronomen erstmals ermöglicht, die Größe der Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch zu messen. Es ist ihnen auch gelungen, seine Ausrichtung zur Erde und ein wenig darüber zu bestimmen, wie die Elemente verteilt sind.

Wie bei Sternen erzeugen aktive galaktische Kerne (AGNs), die hellen Regionen um Schwarze Löcher, durch ihre Wärme Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum und weisen bei bestimmten Wellenlängen, den sogenannten Emissionslinien, eine größere Intensität auf. Emissionslinien entstehen dadurch, dass Elektronen, die zuvor in einen angeregten Zustand versetzt wurden, auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen.

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Bei der Freisetzung ist jede Emissionslinie spezifisch für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts, die sich durch die Energielücke auszeichnet, die das Elektron durchschritten hat, und die wiederum einzigartig für das Element ist, das das Elektron umkreist. Wenn sich die Quelle jedoch schnell auf uns zu oder von uns weg bewegt, verschiebt sich die Wellenlänge.

Gase bewegen sich so schnell um ein rotierendes supermassereiches Schwarzes Loch, dass Emissionslinien von einer Seite aufgrund der Wegbewegung bei etwas längeren Wellenlängen sichtbar sind, während diejenigen von der anderen Seite etwas kürzer als ihre wahre Wellenlänge zu sein scheinen. Dadurch entsteht ein sogenannter Doppelpeak auf beiden Seiten des Normalwerts der Emissionslinie.

Bisher waren solche Doppelpeaks nur bei Wasserstoffemissionen im sichtbaren Licht zu beobachten. Als Denimara Dias dos Santos jedoch das Licht von III Zw 002 mit dem Nahinfrarot-Spektrographen Gemini untersuchte, war er überrascht, einen von Sauerstoff sowie einen Infrarot-Doppelpeak der Paschen-Alpha-Wasserstofflinie zu sehen. Dias dos Santos, ein Doktorand am Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, kommt zu dem Schluss, dass diese Emissionen aus einem Bereich stammen, der 18,8 Lichttage vom Zentrum des supermassiven Schwarzen Lochs der Galaxie entfernt ist. Die Paschen-Alpha-Linie entsteht etwas weiter innen, in einem Radius von 16,8 Lichttagen.

Im Vergleich dazu ist Voyager 1, das am weitesten von der Sonne entfernte von Menschenhand geschaffene Objekt, nicht ganz einen Lichttag entfernt.

Die Scheibe als Ganzes reicht jedoch wahrscheinlich noch viel weiter. Dias dos Santos und Kollegen schätzen, dass sich die Region, in der Emissionen entstehen, auf 52,4 Lichttage erstreckt. Es ist die erste einigermaßen genaue Beobachtungsschätzung für die Größe einer solchen Scheibe. Das ist keine Entfernung, die leicht zu vergleichen ist, da sie mehr als 30-mal über den Umlaufbahnen selbst der äußersten Kuipergürtel-Objekte wie „FarFarOut“ liegt, aber auch weniger als ein Dreißigstel des Weges zum nächsten Nachbarstern der Sonne.

„Wir wussten vorher nicht, dass III Zw 002 dieses Doppelgipfelprofil hatte, aber als wir die Daten reduzierten, sahen wir das Doppelgipfel sehr deutlich“, sagte Teamleiter Dr. Alberto Rodriguez-Ardila in einer Erklärung. „Tatsächlich haben wir die Daten viele Male reduziert, weil wir dachten, es könnte sich um einen Fehler handeln, aber jedes Mal sahen wir das gleiche aufregende Ergebnis.“

„Zum ersten Mal legt die Erkennung solcher Doppelspitzenprofile der Geometrie einer Region strenge Beschränkungen auf, die sonst nicht auflösbar wären“, fügte Rodriguez-Ardila hinzu.

Unter der Annahme, dass die Bewegung der Gase durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs angetrieben wird, schätzt das Team, dass seine Masse das 400- bis 900-Millionen-fache der Masse der Sonne beträgt und die Scheibe eine Ausrichtung von 18 Grad zur Erde hat.

Die Studie ist Open Access in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht