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Künstlerische Darstellung des Systems mit dem massereichsten stellaren Schwarzen Loch in unserer Galaxie.(Bildnachweis: ESO/L. Calçada)

Die Milchstraße hat ein großes, neu entdecktes Schwarzes Loch, und es lauert in der Nähe der Erde! Dieser schlafende Riese wurde mit dem europäischen Weltraumteleskop Gaia entdeckt, das die Bewegung von Milliarden von Sternen in unserer Galaxie verfolgt.

Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn einem großen Stern der Brennstoff ausgeht und er kollabiert. Die neue Entdeckung ist ein Meilenstein, denn es ist das erste Mal, dass ein großes Schwarzes Loch mit einem solchen Ursprung in der Nähe der Erde gefunden wurde: Das Schwarze Loch mit der Bezeichnung Gaia-BH3 ist 33 Mal massereicher als unsere Sonne. Das bisher massereichste Schwarze Loch dieser Klasse in der Milchstraße war ein Schwarzes Loch in einem Röntgendoppelgänger im Sternbild Cygnus (Cyg X-1), dessen Masse auf etwa das 20-fache der Sonnenmasse geschätzt wird. Das durchschnittliche stellarmasse Schwarze Loch in der Milchstraße ist etwa 10-mal so groß wie die Sonne.

Gaia-BH3 befindet sich nur 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist damit das zweitnächste Schwarze Loch, das je entdeckt wurde. Das der Erde am nächsten gelegene Schwarze Loch ist Gaia-BH1 (ebenfalls von Gaia entdeckt), das 1.560 Lichtjahre entfernt ist. Gaia-BH1 hat eine Masse, die etwa 9,6-mal so groß ist wie die der Sonne, und ist damit deutlich kleiner als dieses neu entdeckte Schwarze Loch.

„Die Entdeckung von Gaia-BH3 ist wie der Moment im Film ‚Die Matrix‘, in dem Neo beginnt, die Matrix zu ’sehen'“, sagte George Seabrook, Wissenschaftler am Mullard Space Science Laboratory des University College London und Mitglied der Gaia Black Hole Task Force, in einer Stellungnahme gegenüber kosmischeweiten.de. „In unserem Fall ist die ‚Matrix‘ die Population der ruhenden stellaren Schwarzen Löcher in unserer Galaxie, die uns verborgen waren, bevor Gaia sie entdeckte“, so Seabrook, der hinzufügte, dass Gaia BH3 ein wichtiger Hinweis auf diese Population ist, da es das massivste stellare Schwarze Loch ist, das in unserer Galaxie gefunden wurde.

Natürlich ist Gaia-BH3 ein kleiner Fisch im Vergleich zu dem supermassiven schwarzen Loch, das das Herz der Milchstraße beherrscht, Sagittarius A* (Sgr A*), das eine Masse hat, die 4,2 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Supermassive Schwarze Löcher wie Sgr A* entstehen nicht durch den Tod massereicher Sterne, sondern durch die Verschmelzung von immer größeren Schwarzen Löchern.

Ein Diagramm, das die Lage der drei von Gaia entdeckten schwarzen Löcher zeigt (Bildnachweis: ESA/Gaia Collaboration)

Schlafendes riesiges schwarzes Loch bringt stellaren Begleiter ins Taumeln

Alle schwarzen Löcher haben eine äußere Begrenzung, den sogenannten Ereignishorizont, an dem die Fluchtgeschwindigkeit des schwarzen Lochs die Lichtgeschwindigkeit übersteigt. Das bedeutet, dass ein Ereignishorizont eine einseitig lichtdurchlässige Fläche ist, über die hinaus keine Informationen entweichen können.

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Mit der Übermittlung Ihrer Daten erklären Sie sich mit den Allgemeinen Geschäftsbedingungen und der Datenschutzrichtlinie einverstanden und sind mindestens 16 Jahre alt.Das bedeutet, dass sie nur „gesehen“ werden können, wenn sie von Material umgeben sind, von dem sie sich allmählich ernähren. Manchmal bedeutet dies, dass ein Schwarzes Loch in einem Doppelsternsystem Material von einem Begleitstern anzieht, der eine Scheibe aus Gas und Staub um es herum bildet.

Der enorme Gravitationseinfluss Schwarzer Löcher erzeugt starke Gezeitenkräfte in dieser umgebenden Materie, so dass diese hell leuchtet und Material zerstört und verzehrt wird, wobei auch Röntgenstrahlen ausgesendet werden. Darüber hinaus kann das Material, an dem sich das Schwarze Loch nicht satt frisst, zu seinen Polen gelenkt und in Form von Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit hinausgeschleudert werden, die von der Emission von Licht begleitet werden.

Alle diese Lichtemissionen können es Astronomen ermöglichen, Schwarze Löcher zu entdecken. Die Frage ist, wie können „schlafende“ Schwarze Löcher, die sich nicht von Gas und Staub in ihrer Umgebung ernähren, entdeckt werden? Was wäre zum Beispiel, wenn ein stellarmassiges Schwarzes Loch einen Begleitstern hat, die beiden aber zu weit voneinander entfernt sind, als dass das Schwarze Loch stellare Materie von seinem binären Partner aufnehmen könnte?

In solchen Fällen umkreisen das Schwarze Loch und sein Begleitstern einen Punkt, der den Massenschwerpunkt des Systems darstellt. Dies ist auch der Fall, wenn ein Stern von einem leichten Begleiter umkreist wird, z. B. von einem anderen Stern oder sogar einem Planeten.

Das Umkreisen des Massenzentrums führt zu einer für die Astronomen sichtbaren Taumelbewegung des Sterns. Da Gaia in der Lage ist, die Bewegung von Sternen genau zu messen, ist es das ideale Instrument, um diese Taumelbewegung zu erkennen.

Gaias Black Hole Task Force machte sich auf die Suche nach seltsamen Schwankungen, die nicht durch die Anwesenheit eines anderen Sterns oder eines Planeten erklärt werden konnten und die auf einen schwereren Begleiter, möglicherweise ein schwarzes Loch, hinwiesen.

Die Region um das Schwarze Loch Gaia-BH3 (Bildnachweis: ESO/Digitized Sky Survey 2. Danksagung: D. De Martin.)

Bei der Beobachtung eines alten Riesensterns im Sternbild Aquila, der 1.926 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, fand das Team eine Schwankung in der Bahn des Sterns. Dieses Wackeln deutet darauf hin, dass der Stern mit einem ruhenden Schwarzen Loch von außergewöhnlich hoher Masse in einer Umlaufbahn verbunden ist. Die beiden sind durch eine Entfernung voneinander getrennt, die von der Entfernung zwischen der Sonne und Neptun an ihrem weitesten und unserem Stern und Jupiter an ihrem engsten Punkt reicht.

„Das ist ein echtes Einhorn“, sagte der leitende Forscher Pasquale Panuzzo vom CNRS, Observatoire de Paris in Frankreich, in einer Erklärung. „Dies ist die Art von Entdeckung, die man nur einmal in seinem Forscherleben macht. Bisher wurden Schwarze Löcher dieser Größe nur von der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration dank der Beobachtung von Gravitationswellen in fernen Galaxien entdeckt.“

Drei stellarmasse Schwarze Löcher in unserer Galaxie: (links) Gaia BH1, (Mitte) Cygnus X-1 und (rechts) Gaia BH3, deren Massen das 10-, 21- bzw. 33-fache der Sonnenmasse betragen. Gaia BH3 ist das massivste stellare Schwarze Loch, das bisher in der Milchstraße gefunden wurde. (Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)

Dank der Empfindlichkeit von Gaia konnte die Black Hole Task Force auch die Masse von Gaia-BH3 eingrenzen und kam zu dem Ergebnis, dass es 33 Sonnenmassen besitzt.

„Gaia-BH3 ist das allererste Schwarze Loch, dessen Masse wir so genau messen konnten“, sagte Tsevi Mazeh, Wissenschaftler und Mitglied der Gaia-Kollaboration an der Universität Tel Aviv. „Mit dem 30-fachen der Masse unserer Sonne ist die Masse des Objekts typisch für die Schätzungen, die wir für die Massen sehr weit entfernter schwarzer Löcher haben, die von Gravitationswellenexperimenten beobachtet werden. Die Messungen von Gaia liefern den ersten unbestreitbaren Beweis dafür, dass Schwarze Löcher mit dieser Masse tatsächlich existieren.“

Das System Gaia-BH3 ist jedoch nicht nur wegen seiner Nähe zur Erde und der Masse seines schwarzen Lochs von großem Interesse für die Wissenschaftler.

Der Stern in diesem System ist ein Unterriese, der etwa fünfmal so groß wie die Sonne ist und 15-mal so hell leuchtet, obwohl er kühler und weniger dicht ist als unser Stern. Der Begleitstern von Gaia-BH3 besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, den beiden leichtesten Elementen des Universums, und nicht aus schwereren Elementen, die die Astronomen (etwas verwirrend) als „Metalle“ bezeichnen. Die Tatsache, dass dieser Stern „metallarm“ ist, deutet darauf hin, dass dem Stern, der kollabierte und starb, um Gaia-BH3 zu erschaffen, ebenfalls schwerere Elemente fehlten. Man geht davon aus, dass metallarme Sterne im Laufe ihres Lebens mehr Masse verlieren als ihre metallreicheren Gegenstücke, so dass sich Wissenschaftler fragen, ob sie genügend Masse für die Entstehung von Schwarzen Löchern beibehalten können. Gaia-BH3 ist der erste Hinweis darauf, dass metallarme Sterne dies tatsächlich tun können.

„Gaias nächste Datenveröffentlichung wird voraussichtlich viele weitere Daten enthalten, die uns helfen sollten, mehr von der ‚Matrix‘ zu ’sehen‘ und zu verstehen, wie sich ruhende stellare Schwarze Löcher bilden“, so Seabroke abschließend.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden heute (16. April) in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.