Aktive Galaxienkerne: Schwarze Löcher verlieren an Appetit

Das frühe Universum bot ein Festmahl für extrem massereiche Schwarze Löcher, die in Rekordzeit Gas und Staub verschlangen. Heute ist das Büfett im Zentrum von Galaxien weniger reichhaltig, und ihre Wachstumsrate sinkt stetig – oder täuscht der Eindruck?

von Simon Misof

Illustration eines Schwarzen Lochs im Weltraum, umgeben von einer leuchtenden Akkretionsscheibe in Blau- und Rottönen. Ein heller, weißer Jet strömt senkrecht aus der Mitte des Schwarzen Lochs nach oben. Die Szene zeigt die dynamische und energiereiche Umgebung eines Schwarzen Lochs, wobei die Farben die Hitze und Bewegung des Gases darstellen. — © ESA/AOES Medialab / Artist impression of the supermassive black hole in NGC 4151 / CC BY 4.0 (Ausschnitt)
Die extrem massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum von aktiven Galaxien scheinen schier unersättlich. Sie verschlingen Materie aus den wirbelnden Gas- und Staubscheiben, die sie umgeben, und können dabei gewaltige Ausflüsse und Jets antreiben (Illustration). Doch offenbar verlangsamt sich ihr Wachstum im Lauf der Zeit.

Im Herzen der allermeisten Galaxien verbirgt sich ein Objekt von enormer Masse: ein extrem massereiches Schwarzes Loch (englisch: supermassive black hole, SMBH) mit dem Millionen- oder sogar Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Um derart groß zu werden, müssen SMBHs bereits im frühen Universum eine Phase des extremen Wachstums durchlaufen haben. Während dieser nahmen sie aktiv Materie auf: Sie akkretierten. In dieser als kosmischer Mittag (englisch: cosmic noon) bezeichneten Ära beobachten Astronomen sowohl in der Anzahl dieser aktiven Galaxienkerne (englisch: active galactic nuclei, AGN) als auch in der Akkretionsrate – der verspeisten Menge an Masse pro Zeit – ihren Höchststand.

Die heute verbliebenen AGN scheinen deutlich langsamer zu wachsen als ihre Vorgänger. Eine Forschungsgruppe um den Astronomen Zhibo Yu von der Pennsylvania State University hat eine mögliche Erklärung dafür gefunden, wie sie im Dezember 2025 in der Fachzeitschrift »The Astrophysical Journal« berichtetet. Demnach nahm die Effizienz, mit der SMBHs Material akkretieren, über einen Zeitraum von acht Milliarden Jahren deutlich ab.

Turbulente Frühphase

Vor rund zehn Milliarden Jahren, entsprechend einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 1,5 bis 2, war das Universum deutlich dichter. Neue Sterne und Galaxien bildeten sich im Akkord, und die Schwarzen Löcher in ihren Zentren verschlangen Unmengen an Materie. Diese sammelt sich während der Akkretion in einer Scheibe um das Schwarze Loch, bevor sie hinter dem Ereignishorizont verschwindet. Dabei wird das Gas auf extreme Temperaturen aufgeheizt und setzt über alle Frequenzen hinweg Strahlung frei, darunter auch Röntgenbereich. Diese Emission ist oft so intensiv, dass sie sogar die Heimatgalaxie überstrahlt. Kaum verwunderlich ist daher die Beobachtung, dass sehr leuchtkräftige Objekte, wie etwa Quasare, zur Zeit des »cosmic noon« besonders häufig auftreten.

Doch heute sind sie eher Auslaufmodelle. Seit Jahrzehnten beobachtet man den Rückgang an Röntgenemission im Zentrum aktiver Galaxien – eine Beobachtung, die man auch »AGN-Downsizing« nennt. Das Team um Yu dagegen interpretiert den Rückgang als schwächer werdende AGN-Aktivität. Es scheint sich demnach ein Wandel zu vollziehen, von den gefräßigen Giganten der Frühzeit zu überwiegend gemächlicheren SMBHs (siehe »Unterschiedliche Essgewohnheiten«). Allerdings war unklar, ob dieser Eindruck womöglich auf eine systematische Verzerrung zurückgeht. Denn aus der beobachteten Röntgenstrahlung allein lässt sich nicht eindeutig bestimmen, ob ein Schwarzes Loch besonders schnell wächst oder einfach bereits sehr massereich ist. Ein Objekt mit hoher Akkretionsrate kann ebenso starke Röntgenstrahlung erzeugen wie ein massereicheres Schwarzes Loch, das vergleichsweise weniger Materie aufnimmt.

© X-ray: NASA/CXC/Penn State Univ./Z. Yu et al.; Optical (HST): NASA/ESA/STScI; Infrared: NASA/ESA/CSA/STScI; Image Processing: NASA/CXC/SAO/P. Edmonds, L. Frattare / Chandra Resolves Why Black Holes Hit the Brakes on Growth (Ausschnitt)

Unterschiedliche Essgewohnheiten | Die Röntgenquelle 2CXO J033225.7-274936 im Zentrum der 5,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie (links) leuchtet hell, was auf eine hohe Akkretionsrate des zentralen Schwarzen Lochs hinweist. Im Gegensatz dazu beherbergt die elliptische Galaxie (rechts), die mit rund drei Milliarden Lichtjahren weniger weit entfernt ist, die wesentlich schwächere Röntgenquelle 2CXO J033215.3-275044. Sie erreicht nur etwa drei Prozent der Wachstumsrate von jener in der weiter entfernten Galaxie. Beide Darstellungen sind Kompositbilder: Röntgendaten des Weltraumteleskops Chandra (violett) wurden um optische Aufnahmen von Hubble (blau) und James Webb (rot und grün) ergänzt, um die Strukturen der Wirtsgalaxien sichtbar zu machen. Beide befinden sich im südlichen Sternbild Chemischer Ofen (lateinisch: Fornax).

Kosmische Hochzeitstorte

Um dieses Problem zu lösen, kombinierte das Team Röntgendaten mehrerer Missionen: Das Chandra X-Ray Observatory der NASA liefert dabei extrem tiefe Beobachtungen kleiner Himmelsareale, in denen sich auch sehr lichtschwache und weit entfernte aktive Galaxienkerne nachweisen lassen. Ergänzt werden diese durch großflächige Durchmusterungen des Weltraumteleskops XMM-Newton der Europäischen Weltraumbehörde ESA sowie des deutschen Instruments eRosita, die vor allem zahlreiche nähere und leuchtkräftigere Objekte erfassen und so eine solide statistische Grundlage schaffen.

Zusätzlich wurden Daten im optischen und infraroten Bereich von den Weltraumteleskopen Hubble (HST) und James Webb (JWST) herangezogen, um die Massen der Schwarzen Löcher abzuschätzen und den Einfluss von Masse und Akkretionsrate voneinander trennen zu können. Durch die »Vermählung« tiefgehender und großflächiger Datensätze entsteht eine enorme Bandbreite an Beobachtungen aus unterschiedlichen Epochen des Universums – einen Ansatz, den das Team in Anspielung auf einen vielschichtigen Kuchen als »Hochzeitstorten-Modell« (englisch: wedding-cake design) bezeichnet.

»Mit den Röntgendaten und ergänzenden Beobachtungen können wir verschiedene Ideen testen und die Antwort eingrenzen«Zhibo Yu, Astronom

Insgesamt vereint die Arbeit Beobachtungsdaten von rund 1,3 Millionen Galaxien und von mehr als 8000 heranwachsenden massereichen Schwarzen Löchern bei Rotverschiebungen zwischen z = 0 und z = 4. Damit lässt sich das Wachstum der SMBHs über rund zwölf Milliarden Jahre hinweg nahezu lückenlos nachvollziehen.

Schwindender Appetit

Auf die Frage hin, warum die Röntgenstrahlung seit dem »cosmic noon« vor etwa zehn Milliarden Jahren im Zentrum der Galaxien so stark eingebrochen ist, untersuchte das Team drei Szenarien:

Wachsen SMBHs heute weniger effizient?
Sind die typischen Massen von SMBHs heute geringer?
Oder gibt es heute schlicht weniger aktiv wachsende SMBHs?

Mit den Röntgendaten der entsprechenden Teleskope konnte das Team die Helligkeit der aktiven Galaxienkerne bei verschiedenen Rotverschiebungen messen. Mit den Daten des HST und JWST ermittelten die Astronomen die stellare Masse der jeweiligen Wirtsgalaxie und schätzten damit die Masse des zentralen Schwarzen Lochs ab. Dabei nutzten sie eine etablierte Relation, nach der die Masse des Schwarzen Lochs im Durchschnitt 0,2 Prozent der Masse der Wirtsgalaxie in Sternen ausmacht. Mit dieser lässt sich wiederum die theoretisch maximal mögliche Leuchtkraft des aktiven Galaxienkerns bestimmen (siehe »Das Eddington-Limit«).

Die Ergebnisse sind eindeutig: Der primäre Faktor für die geringere Emission von Röntgenstrahlung heutiger extrem massereicher Schwarzer Löcher ist eine über die Jahrmilliarden sinkende Akkretionsrate relativ zur theoretisch maximal möglichen. Dieses Eddington-Verhältnis ist seit dem »cosmic noon« um circa den Faktor 22 zurückgegangen. Die typische Masse der beobachteten, akkretierenden Schwarzen Löcher dagegen verringerte sich im gleichen Zeitraum nur um den Faktor 1,6.

»Es scheint, dass die Aufnahme von Materie durch Schwarze Löcher im Laufe der kosmischen Zeit stark nachgelassen hat«Niel Brandt, Astronom

Schwarze Löcher wachsen heute also vor allem deshalb langsamer, weil sie weniger Material aufnehmen, und nicht, weil sie kleiner sind oder seltener aktiv werden. Das Team konnte zeigen, dass die Geschwindigkeit, mit der lokale Exemplare bei einer Rotverschiebung von z = 0,2 (etwa 2,5 Milliarden Jahre vor unserer Zeit) im Vergleich zu ihren Vorgängern bei z = 1,5 – 2 (vor etwa zehn Milliarden Jahren) an Masse zunehmen, um das 10- bis 30-Fache abgenommen hat.

Das Eddington-Limit

Fällt Materie auf ein massereiches, kompaktes Objekt, wird sie beschleunigt und aufgeheizt. Die dabei freigesetzte Strahlungsenergie erzeugt einen nach außen gerichteten Druck. Je mehr Masse pro Zeit auf das Objekt stürzt, umso größer ist die abgestrahlte Leistung. Am Eddington-Limit ist die theoretische Obergrenze erreicht, bei der sich der nach außen wirkende Strahlungsdruck und die nach innen wirkende Gravitation eines Objekts – etwa eines Schwarzen Lochs oder eines Sterns – gerade ausgleichen. Sie definiert damit die maximale Leuchtkraft – die Eddington-Leuchtkraft –, bevor das einfallende Material weggeblasen wird und die weitere Akkretion zum Erliegen kommt. Das klassische Eddington-Limit gilt allerdings nur für in alle Richtungen gleichförmig abgegebene (isotrope) Strahlung. In der Realität erlauben eine Scheibenstruktur, dichte Klumpen oder Magnetfelder deutlich höhere Akkretionsraten (siehe »Nichts ist unmöglich«).

Das Eddington-Verhältnis λ_Edd = L_Bol / L_Edd dient dabei als Maßstab und setzt die beobachtete bolometrische LeuchtkraftL_Bol mit der theoretischen maximalen Leuchtkraft L_Edd in Relation. Die bolometrische Leuchtkraft entspricht der über alle Wellenlängen abgegebenen Strahlungsleistung. Mithilfe eines Korrekturfaktors kann dabei von den Helligkeit eines aktiven Galaxienkerns im Röntgenbereich auf seine bolometrische Leuchtkraft geschlossen werden.

Ein Wert von λ_Edd = 1 bedeutet, dass sich Strahlungsdruck und Gravitation im klassischen Fall genau die Waage halten. Werte über eins werden als Super-Eddington-Akkretion bezeichnet. Solche extrem aktiven Phasen waren vor allem im frühen Universum häufig. Liegt das Eddington-Verhältnis unterhalb von 1, strahlt das Objekt weniger ab, als theoretisch denkbar wäre, unterhalb der maximal möglichen Rate.

Nichts ist unmöglich | Das Schwarze Loch LID-568 existierte bereits etwa 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall (z ≈ 4) im Zentrum einer frühen Zwerggalaxie. Es hat eine Masse von rund sieben Millionen Sonnenmassen und verschlingt Materie mit der 40-fachen Rate des theoretisch Erlaubten. Starke Ausflüsse leiten die überschüssige Energie vielleicht um und ermöglichen es dem Schwarzen Loch, weiterhin Material aufzunehmen, ohne dass der Strahlungsdruck die Akkretion stoppt (Illustration).

Leeres Büfett

Ein möglicher Grund dafür ist der schwindende Vorrat an kaltem Gas. Dieses war in der Frühzeit des Universums in deutlich größeren Mengen vorhanden. Es bildet die Grundlage sowohl für die Sternentstehung als auch für die »Fütterung« der Schwarzen Löcher. Durch heftige Galaxienverschmelzungen sowie großräumige Gaszuflüsse strömte stetig frisches Gas in die Zentralregionen großer Galaxien. Dort bildete es dichte Scheiben und Wolken aus, die Material direkt in das Schwarze Loch kanalisierten. Mit zunehmendem Alter des Universums nahmen diese Prozesse jedoch ab, wodurch sich der Nachschub an Gas in die Zentren allmählich verlangsamte.

Darauf deutet auch die eng mit dem Wachstum der Schwarzen Löcher verknüpfte kosmische Sternentstehungsrate hin, die ebenfalls stark zurückgegangen ist. Offenbar wurde ein Großteil des verfügbaren Gases im Lauf der Zeit in Sterne umgewandelt und die Mechanismen, die neues Gas in die Galaxien befördern, wurden schwächer.

Mögliche Szenarien des Rückgangs | Der beobachtete Wandel in der Röntgenaktivität extrem massereicher Schwarzer Löcher (SMBHs) könnte auf drei unterschiedliche Weisen erklärt werden: mit einer geringeren Akkretionseffizienz (oben), kleineren Massen der Schwarzen Löcher (Mitte) oder weniger aktiven Galaxienkernen (unten). Die Ergebnisse der Arbeit sprechen klar für eine sinkende Akkretionsrate. Dieser Effekt ist deutlich dominanter als Massenänderungen und dürfte vor allem auf den Rückgang verfügbaren kalten Gases zurückgehen.

Der Rückgang der Aktivität von AGNs wird zwar schon länger diskutiert, doch mit der Arbeit von Yu et al. ließ sich durch die schiere Datenmenge erstmals quantitativ belegen, dass vor allem das sinkende Eddington-Verhältnis der entscheidende Treiber für den Rückgang ist. Das Team geht davon aus, dass sich dieser Trend fortsetzen wird. Zukünftige Missionen wie das NewAthena-Teleskop der ESA oder das Lynx X-Ray Observatory der NASA sollen noch genauer in das Universum blicken, um auch jene Schwarzen Löcher zu erfassen, die hinter dichten Staubwolken verborgen sind.