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Mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops haben Astronomen das der Erde am nächsten gelegene massive Schwarze Loch entdeckt, das jemals gesehen wurde, einen kosmischen Titanen, der in der Zeit eingefroren ist.“

Als Beispiel für ein schwer fassbares „Schwarzes Loch mittlerer Masse“ könnte das Objekt als fehlendes Glied im Verständnis des Zusammenhangs zwischen Sternmasse und supermassiven Schwarzen Löchern dienen. Das Schwarze Loch scheint eine Masse von etwa 8.200 Sonnen zu haben. Damit ist es deutlich massiver als Schwarze Löcher mit stellarer Masse, deren Masse zwischen dem 5- und 100-fachen der Sonnenmasse liegt, und viel weniger massereich als die so genannten supermassereichen Schwarzen Löcher, deren Masse Millionen bis Milliarden der Sonnenmasse beträgt. Das nächstgelegene stellarmasse Schwarze Loch, das Wissenschaftler gefunden haben, heißt Gaia-BH1 und ist nur 1.560 Lichtjahre von uns entfernt.

Das neu entdeckte Schwarze Loch mittlerer Masse hingegen befindet sich in einer spektakulären Ansammlung von etwa zehn Millionen Sternen namens Omega Centauri, die etwa 18.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

(Bildnachweis: ESA/Hubble/NASA/M.Haberle (MPIA))

Interessanterweise unterstützt die Tatsache, dass das „eingefrorene“ Schwarze Loch sein Wachstum gehemmt zu haben scheint, die Idee, dass Omega Centauri die Überreste einer alten Galaxie ist, die von unserer eigenen Galaxie ausgeschlachtet wurde.

Dies würde darauf hindeuten, dass Omega Centauri eigentlich der Kern einer kleinen, separaten Galaxie ist, deren Entwicklung unterbrochen wurde, als die Milchstraße sie verschluckte. Wenn dieses Ereignis nie stattgefunden hätte, wäre dieses schwarze Zwischenloch möglicherweise zu einem supermassiven Loch herangewachsen, wie das supermassive schwarze Loch der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), das eine Masse hat, die 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, und das 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Die Suche nach dem, was fehlt

Wissenschaftler wissen schon seit einiger Zeit, dass nicht alle Schwarzen Löcher gleich sind. Während Schwarze Löcher mit stellarer Masse bekanntermaßen durch den Kollaps von Sternen mit mindestens der achtfachen Sonnenmasse entstehen, müssen supermassereiche Schwarze Löcher einen anderen Ursprung haben. Denn kein Stern ist massiv genug, um zu kollabieren und einen Überrest zu hinterlassen, der Millionen Mal so massiv ist wie die Sonne.

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Wissenschaftler vermuten daher, dass supermassive Schwarze Löcher durch Fusionsketten von immer größeren Schwarzen Löchern entstehen und wachsen. Dies wurde durch den Nachweis von Wellen in der Raumzeit, den so genannten Gravitationswellen, belegt, die von der Verschmelzung schwarzer Löcher ausgehen.

Dieser Prozess der Verschmelzung und des Wachstums von Schwarzen Löchern in Verbindung mit dem großen Massenunterschied zwischen Schwarzen Löchern mit Sternmasse und supermassereichen Schwarzen Löchern bedeutet, dass es eine Population von Schwarzen Löchern mittlerer Größe geben sollte.

Eine Illustration, die die drei Arten von astrophysikalischen Schwarzen Löchern zeigt, von den massereichsten auf der linken Seite bis zu den massearmen auf der rechten Seite (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Doch diese mittelschweren Schwarzen Löcher mit Massen zwischen dem Hundert- und dem Tausendfachen der Sonnenmasse scheinen größtenteils nicht entdeckt worden zu sein. Das liegt daran, dass diese mittelgroßen kosmischen Titanen, wie alle schwarzen Löcher, durch äußere Grenzen, die sogenannten Ereignishorizonte, gekennzeichnet sind.

Der Ereignishorizont ist der Punkt, an dem der Gravitationseinfluss eines Schwarzen Lochs so groß wird, dass nicht einmal das Licht schnell genug ist, um ihm zu entkommen. Schwarze Löcher sind also nur dann im Licht sichtbar, wenn sie entweder von Materie umgeben sind, von der sie sich ernähren und die beim Aufheizen leuchtet, oder wenn sie in einem sogenannten „Tidal Disruption Event“ (TDE) einen unglücklichen Stern zerreißen und sich von ihm ernähren.

Intermediäre Schwarze Löcher, wie das in Omega Centauri, sind nicht von viel Materie und Nahrung umgeben.

Das bedeutet, dass die Astronomen bei der Suche nach solchen schwarzen Löchern ein bisschen schlau sein müssen. Sie nutzen die Gravitationswirkung, die diese Löcher auf Materie haben, wie Sterne, die sie umkreisen, oder auf Licht, das durch sie hindurchgeht. Bei dieser neuen Entdeckung verwendete das Team die erste Methode.

Ein rasender Stern

Die Suche nach diesem intermediären Schwarzen Loch begann 2019, als Nadine Neumayer vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Anil Seth von der University of Utah ein Forschungsprojekt entwickelten, um unser Verständnis der Entstehungsgeschichte von Omega Centauri zu verbessern.

Insbesondere wollten die Forscher und ihr Mitarbeiter Maximilian Häberle, ein Doktorand des MPIA, schnell bewegte Sterne in Omega Centauri finden, die beweisen würden, dass der Sternhaufen ein massives, dichtes oder kompaktes „zentrales schwarzes Loch“ besitzt. Eine ähnliche Methode wurde verwendet, um die Masse und Größe von Sgr A* anhand einer sich schnell bewegenden Sternenpopulation im Herzen der Milchstraße zu bestimmen.

Häberle und sein Team nutzten über 500 Hubble-Bilder dieses Sternhaufens, um eine umfangreiche Datenbank mit den Bewegungen der Sterne in Omega Centauri aufzubauen und die Geschwindigkeiten von etwa 1,4 Millionen Sternen zu messen. Dieser sich ständig wiederholende Blick auf Omega Centauri, den Hubble nicht aus wissenschaftlichem Interesse, sondern zur Kalibrierung seiner Instrumente durchführte, war der ideale Datensatz für die Mission des Teams.

„Die Suche nach Hochgeschwindigkeitssternen und die Dokumentation ihrer Bewegung war die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, so Häberle. Das Team fand schließlich nicht nur einen, sondern sieben „Nadel-im-Heuhaufen-Sterne“, die sich alle mit hohen Geschwindigkeiten in einer kleinen Region im Herzen von Omega Centauri bewegen.

Bewegen Sie sich über Sagittarius A*, dort befindet sich ein weiteres massereiches Schwarzes Loch in Erdnähe. (Bildnachweis: EHT Collaboration)

Die hohe Geschwindigkeit dieser Sterne wird durch eine konzentrierte Masse in der Nähe verursacht. Hätte das Team nur einen schnellen Stern gefunden, wäre es unmöglich gewesen, festzustellen, ob seine Geschwindigkeit das Ergebnis einer großen und nahen zentralen Masse ist oder ob es sich um einen Ausreißer handelt, der sich mit hoher Geschwindigkeit auf einer geraden Bahn bewegt – ohne jede zentrale Masse.

Durch die Beobachtung und Messung der unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen von sieben Sternen konnte diese Bestimmung vorgenommen werden. Die Messungen ergaben eine zentrale Masse, die 8.200 Sonnen entspricht, während die visuelle Inspektion der Region keine Objekte ergab, die Sternen ähneln. Das ist genau das, was man erwarten würde, wenn sich ein Schwarzes Loch in dieser Region befinden würde, die nach Angaben des Teams „Lichtmonate“ groß ist.

Die Tatsache, dass unsere Galaxie reif genug ist, um ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Herzen zu haben, bedeutet, dass sie wahrscheinlich über das Stadium hinausgewachsen ist, in dem sie selbst viele Schwarze Löcher mittlerer Masse besitzt. Dieses existiert in der Milchstraße, so das Team, weil die Kannibalisierung ihrer ursprünglichen Galaxie ihre Wachstumsprozesse abbremste.

„Frühere Studien hatten die kritische Frage aufgeworfen: ‚Wo sind dann die Hochgeschwindigkeitssterne?‘ Jetzt haben wir eine Antwort darauf und die Bestätigung, dass Omega Centauri ein mittelgroßes Schwarzes Loch enthält“, sagte Häberle. „Mit einer Entfernung von etwa 18.000 Lichtjahren ist dies das nächste bekannte Beispiel für ein massereiches Schwarzes Loch.“

Das ändert natürlich nichts am Status von Sgr A* als dem der Erde am nächsten gelegenen supermassereichen Schwarzen Loch oder am Status von Gaia BH1 als dem der Erde am nächsten gelegenen stellarmassereichen Schwarzen Loch – aber es gibt den Wissenschaftlern die Gewissheit, dass sie auf dem richtigen Weg sind, wenn sie überlegen, wie unser zentrales Schwarzes Loch überhaupt zu einem solchen kosmischen Titanen wurde.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (10. Juli) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.