Im Zentrum vieler großer Galaxien befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch, dessen Masse Millionen oder Milliarden Mal so groß wie die der Sonne sein kann. Um zu wachsen, nimmt es umgebendes Gas auf. Doch woher stammt diese Materie genau? Ein Team verfolgte ihren Weg mithilfe von 30 detaillierten Simulationen massereicher Galaxien.
Die Forschenden unterschieden mehrere mögliche Ursprünge. Gas kann aus dem Raum zwischen den Galaxien eintreffen, aus einer anderen Galaxie stammen oder bereits in den frühen Phasen der Entstehung vorhanden gewesen sein. Eine weitere Quelle befindet sich direkt in der Galaxie: Die Sterne selbst stoßen im Laufe ihrer Entwicklung Materie aus.
Künstlerische Darstellung der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie, umgeben von akkretierender Materie.
Bildnachweis: ESO/L. Calçada — CC BY 4.0
Manche Sterne verlieren allmählich ihre äußeren Schichten. Andere stoßen einen Teil ihrer Materie explosionsartig aus, wenn sie als Supernova explodieren. Dieses Gas gelangt anschließend in die Galaxie zurück, wo es lange zirkulieren kann, bevor es sich dem Zentrum nähert. Die Forschenden sprechen dann von „recyceltem“ Gas.
In den Simulationen stellt dieses recycelte Gas die wichtigste Quelle der von den untersuchten Schwarzen Löchern aufgenommenen Materie dar. Außerdem ist es reich an Elementen, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium.
Diese Zusammensetzung gibt einen Hinweis auf die Geschichte des Gases. Die ersten Gase des Universums enthielten fast ausschließlich Wasserstoff und Helium. Anschließend erzeugen Sterne schwerere Elemente und stoßen einen Teil davon aus. Materie, die reich an diesen Elementen ist, trägt daher die Spuren eines Durchgangs durch eine oder mehrere Generationen von Sternen.
Selbst Gas aus anderen Quellen neigt dazu, sich zu verändern, bevor es das Schwarze Loch erreicht. Den Simulationen zufolge hält es sich meist in der Galaxie auf und wird allmählich angereichert. Das Schwarze Loch erhält somit Materie, deren Zusammensetzung stark von der Entwicklung der es umgebenden Sterne abhängt, statt einfach direkt von außen zugeführtes Material zu bekommen.
Die Ergebnisse stimmen mit den hohen Konzentrationen schwerer Elemente überein, die aus Beobachtungen von Quasaren abgeleitet wurden. Ein Quasar entsteht, wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch große Mengen Materie aufnimmt und seine Umgebung extrem hell wird. Die Zusammensetzung dieser Materie kann anhand der Eigenschaften des von ihr ausgesandten Lichts untersucht werden.
Die Studie beruht weiterhin auf Simulationen von 30 massereichen Galaxien mit besonders schweren Schwarzen Löchern. Die Autoren können nun die vorhergesagten chemischen Anteile genauer mit denjenigen vergleichen, die in der Umgebung beobachteter Schwarzer Löcher aus verschiedenen Epochen der Geschichte des Universums gemessen wurden.