Eine Illustration zeigt zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die durch ihre Größe zusammengehalten und an der Verschmelzung gehindert werden (Bildnachweis: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani)
Zwei supermassereiche schwarze Löcher, die in durch Kollisionen entstandenen „fossilen Galaxien“ gefunden wurden, sind so massiv, dass sie sich weigern, miteinander zu kollidieren und zu verschmelzen. Die Entdeckung könnte erklären, warum die Verschmelzung supermassereicher schwarzer Löcher zwar theoretisch vorhergesagt, aber nie in der Praxis beobachtet worden ist.
Das System supermassereicher Schwarzer Löcher befindet sich in der elliptischen Galaxie B2 0402+379. Die beiden schwarzen Löcher haben zusammen eine Masse, die 28 Milliarden Mal größer ist als die der Sonne, was dieses System zum massivsten schwarzen Loch macht, das je beobachtet wurde. Und nicht nur das: Die beiden Komponenten dieses Doppelsternsystems sind mit einem Abstand von nur 24 Lichtjahren die am nächsten beieinander liegenden supermassereichen schwarzen Löcher.
Dies ist das einzige supermassereiche Schwarze Loch, das jemals detailliert genug aufgelöst wurde, um beide Objekte getrennt zu sehen. Obwohl die Nähe der beiden Körper nahelegt, dass sie kollidieren und verschmelzen sollten, scheinen sie seit mehr als 3 Milliarden Jahren auf der gleichen Umlaufbahn umeinander zu tanzen.
Das Team, das den Doppelstern in den vom Gemini North-Teleskop auf Hawaii gesammelten Daten gefunden hat, glaubt, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher durch ihre enorme Masse an einer Verschmelzung gehindert werden.
„Normalerweise scheint es, dass Galaxien mit leichteren schwarzen Lochpaaren genug Sterne und Masse haben, um die beiden schnell zusammenzutreiben“, sagte Roger Romani, Mitglied des Teams und Physikprofessor an der Stanford University, in einer Erklärung. „Da dieses Paar so schwer ist, brauchte es eine Menge Sterne und Gas, um die Aufgabe zu bewältigen. Aber der Doppelstern hat die zentrale Galaxie von dieser Materie befreit, so dass sie zum Stillstand gekommen ist.“
Inhaltsübersicht
Supermassives Schwarzes-Loch-Paar ist einfach nicht kompatibel… noch nicht
B2 0402+379 ist ein „fossiler Haufen“, der zeigt, was passiert, wenn die Sterne und das Gas eines ganzen Galaxienhaufens zu einer einzigen massiven Galaxie verschmelzen. Die enorme Masse der beiden supermassereichen schwarzen Löcher in ihrem Herzen lässt vermuten, dass sie durch eine Kette von Verschmelzungen zwischen kleineren schwarzen Löchern entstanden sind, als sich mehrere Galaxien in dem Haufen trafen und miteinander verschmolzen.
Wissenschaftler glauben, dass sich im Herzen der meisten, wenn nicht aller Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse befindet, die Millionen oder Milliarden von Sonnen entspricht. Da kein einzelner Stern kollabieren kann, um ein derart massereiches Schwarzes Loch zu erzeugen, geht man davon aus, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch Ketten von Verschmelzungen zwischen immer größeren Schwarzen Löchern entstehen.
Wenn Galaxien selbst kollidieren und verschmelzen, so die Theorie der Wissenschaftler, bewegen sich die supermassereichen schwarzen Löcher in ihrem Herzen aufeinander zu und bilden eine binäre Paarung. Während sie umeinander kreisen, senden diese schwarzen Löcher Wellen in der Raumzeit aus, die als Gravitationswellen bezeichnet werden und Drehimpulse von der Doppelgalaxie wegtragen, so dass sich die schwarzen Löcher enger umkreisen.
Wenn die schwarzen Löcher nahe genug beieinander sind, sollte ihre Anziehungskraft schließlich überwiegen, und die schwarzen Löcher kollidieren und verschmelzen, genau wie die schwarzen Löcher, die zu ihrer Entstehung kollidierten. Die Frage ist, ob einige supermassereiche Schwarze Löcher so massiv sein könnten, dass eine Kollision abgewürgt wird.
Die Galaxie NGC 7727 zeigt, wie eine Galaxie nach Milliarden von Jahren der Verschmelzung von Galaxien aussieht (Bildnachweis: ESO)
Um dieses System von Schwergewichten unter den schwarzen Löchern besser zu verstehen, hat sich das Team auf Archivdaten gestützt, die vom Gemini North Multi-Object Spectrograph (GSO) gesammelt wurden. Damit konnten sie die Geschwindigkeit der Sterne in der Nähe der beiden supermassereichen schwarzen Löcher und damit auch die Gesamtmasse dieser schwarzen Löcher bestimmen.
„Die hervorragende Empfindlichkeit von GMOS ermöglichte es uns, die zunehmenden Geschwindigkeiten der Sterne zu kartieren, je näher man dem Zentrum der Galaxie kommt“, fügte Romani hinzu. „Daraus konnten wir auf die Gesamtmasse der schwarzen Löcher schließen, die sich dort befinden.“
Eine festgefahrene Fusion
Die Masse der beiden schwarzen Löcher des Systems ist so groß, dass das Team davon ausgeht, dass eine außergewöhnlich große Population von Sternen um sie herum nötig wäre, um die supermassereichen schwarzen Löcher zusammenzubringen. Die Energie, die von dem Doppelsternsystem ausgeht, hat jedoch Materie aus ihrer Umgebung weggeschleudert.
Dadurch ist das Zentrum von B2 0402+379 ohne Sterne und Gas, die nahe genug am Doppelsternsystem sind, um ihm Energie zu entziehen. Infolgedessen ist die Annäherung der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher aneinander ins Stocken geraten, während sie sich den letzten Phasen vor einer Verschmelzung nähern.
Die Ergebnisse des Teams geben wichtige Hinweise auf die Entstehung von supermassereichen Schwarzen Löchern nach galaktischen Verschmelzungen, unterstützen aber auch die Idee, dass die Masse solcher Doppelsternsysteme wesentlich dazu beiträgt, Schwarze Löcher davon abzuhalten, ihnen zu folgen.
Das Team ist sich derzeit nicht sicher, ob die beiden supermassereichen Schwarzen Löcher in diesem schwersten jemals entdeckten Doppelsternsystem diese Verzögerung überwinden werden, um schließlich zu verschmelzen, oder ob sie für immer in der Schwebe der Verschmelzung gefangen bleiben werden.
„Wir freuen uns auf Folgeuntersuchungen des Kerns von B2 0402+379, bei denen wir untersuchen werden, wie viel Gas vorhanden ist“, sagte der Hauptautor der Studie und Stanford-Student Tirth Surti. „Dies sollte uns mehr Einblicke geben, ob die supermassereichen Schwarzen Löcher schließlich verschmelzen können oder ob sie als Doppelstern gestrandet bleiben.“
Eine Möglichkeit, diese supermassive Konfrontation zu beenden, besteht darin, dass eine andere Galaxie mit B2 0402+379 verschmilzt, wodurch viel mehr Sterne, Gas und ein weiteres supermassives Schwarzes Loch in den Mix geworfen werden und dieses empfindliche Gleichgewicht gestört wird. Die Tatsache, dass B2 0402+379 eine fossile Galaxie ist, die seit Milliarden von Jahren ungestört ist, macht dieses Szenario jedoch wahrscheinlich.
Eine Sache, die diese Forschung sicherstellt, ist, wie nützlich Archivdaten von Teleskopen wie Gemini North, das zusammen mit dem Gemini South-Teleskop auf einem Berg in den chilenischen Anden das Internationale Gemini-Observatorium bildet, für Astronomen sind.
„Das Datenarchiv des Internationalen Gemini-Observatoriums birgt eine Goldmine ungenutzter wissenschaftlicher Entdeckungen“, sagte Martin Still, Programmdirektor der Nation Science Foundation für das Internationale Gemini-Observatorium. „Die Massenmessungen für dieses extreme supermassive binäre schwarze Loch sind ein beeindruckendes Beispiel für die möglichen Auswirkungen neuer Forschungsarbeiten, die dieses reichhaltige Archiv erforschen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Astrophysical Journal veröffentlicht.
