Die Grafik zeigt die doppelten Quasar-Jets im Herzen der Blazar-Galaxie OJ 287 (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC) und M. Mugrauer (AIU Jena))
Ein binäres Schwarzes-Loch-System in einer etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie wurde beobachtet, wie es dramatisch aufleuchtete, als eines der Schwarzen Löcher die Akkretionsscheibe des anderen durchstieß und für einen kurzen Moment einen doppelten Quasar erzeugte.
Ein Quasar ist der extrem aktive Kern einer weit entfernten Galaxie. Diese Aktivität ist das Ergebnis eines supermassiven schwarzen Lochs, das hungrig Materie verschlingt, und zwar so viel Materie, dass es nicht alles aufnehmen kann – stattdessen wird viel Material wahllos in einem magnetisch kollimierten Strahl ausgespuckt, anstatt wie der Rest der Materie hinter den Ereignishorizont des schwarzen Lochs zu fallen. Wenn wir einen solchen Strahl aus geladenen Teilchen (der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt) frontal sehen, sieht der Quasar besonders hell aus. Wir nennen das einen Blazar.
Die Galaxie OJ 287 in einer Entfernung von etwa 4 Milliarden Lichtjahren ist eines der nächstgelegenen Beispiele für einen Blazar. Sie ist sogar hell genug, um von großen Amateurteleskopen gesehen zu werden, und es gibt Beobachtungen von OJ 287, die bis in die späten 1800er Jahre zurückreichen. Beobachtungen wie diese zeigen, dass OJ 287 alle 12 Jahre heller zu werden scheint. Im Jahr 2014 schlug der Doktorand Pauli Pihajoki von der Universität Turku in Finnland vor, dass diese Aufhellung durch das Vorhandensein eines zweiten, weniger massereichen Schwarzen Lochs verursacht wird, das das erste Schwarze Loch umkreist und mit ihm wechselwirkt. Sollte dies der Fall sein, wäre die Umlaufbahn des zweiten schwarzen Lochs um das primäre Loch verlängert, so dass es sich dem primären Loch nur alle 12 Jahre nähern würde.
Neben einer allgemeinen Aufhellung des Systems, so Pihajoki, sollte diese Wechselwirkung auch dazu führen, dass das kleinere Schwarze Loch etwas Materie aus der großen Akkretionsscheibe um das primäre Schwarze Loch stiehlt und für kurze Zeit seinen eigenen, kleineren Quasarstrahl erzeugt. Pihajoki sagte auch voraus, wann dies ungefähr geschehen würde. Daher wurde im November 2021 der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA vorübergehend von der Exoplanetenjagd abgezogen, um OJ 287 zu untersuchen. TESS wurde von den NASA-Gammastrahlenteleskopen Swift und Fermi sowie einer Reihe von bodengestützten Observatorien unterstützt, aber es war speziell TESS, das die entscheidenden Beobachtungen machte.
Am 12. November 2021 entdeckte TESS, dass OJ 287 für etwa 12 Stunden um etwa zwei Größenordnungen heller wurde, da er in diesem kurzen Ausbruch so viel Energie freisetzte, wie 100 durchschnittliche Galaxien in der gleichen Zeit freisetzen würden. Die Beobachtungen der anderen Teleskope bestätigten dieses Ergebnis, wobei insbesondere Fermi einen signifikanten Ausbruch von Gammastrahlen feststellte.
„Wir können jetzt sagen, dass wir zum ersten Mal ein Schwarzes Loch ‚gesehen‘ haben, das um einen Stern kreist, so wie wir sagen können, dass TESS Planeten gesehen hat, die um andere Sterne kreisen“, sagte Mauri Valtonen von der Universität Turku, der die Beobachtungen leitete, in einer Erklärung.
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Durch die Beobachtungen konnten auch die Massen der schwarzen Löcher bestätigt werden. Das primäre Schwarze Loch – auch bekannt als die Hauptenergiequelle in OJ 287 – hat eine Masse von 18,35 Milliarden Sonnenmassen, während das sekundäre Loch mit 150 Millionen Sonnenmassen kein Leichtgewicht ist. Im Vergleich dazu hat Sagittarius A*, das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, eine Masse von nur 4,1 Millionen Sonnenmassen.
Die kurze Zeitspanne, in der die Eruption aktiv war, erklärt, warum weder sie noch Eruptionen anderer binärer Schwarzer-Loch-Systeme bisher entdeckt wurden. Es ist wichtig zu wissen, wann und wo man solche Eruptionen sehen kann, und es könnte viele andere binäre Schwarze Löcher geben, die ähnliche Eruptionen erleben, von denen wir nichts wissen. Diese binären schwarzen Löcher werden sich aber vielleicht bald nicht mehr verstecken können.
„Das kleinere Schwarze Loch könnte bald seine Existenz auf andere Weise offenbaren, da es voraussichtlich Nano-Hertz-Gravitationswellen aussenden wird“, sagte Achamveedu Gopakumar vom Tata Institute of Fundamental Research in Indien, der an den Beobachtungen beteiligt war, in der Erklärung. „Die Gravitationswellen von OJ 287 sollten in den kommenden Jahren mit den ausgereiften Pulsar-Zeitmessungsarrays nachweisbar sein.“
Pulsar-Timing-Arrays funktionieren, indem sie ein Netzwerk von Pulsaren in den Tiefen des Weltraums ständig umkreisen. Pulsare sind rotierende Neutronensterne, die wie kosmische Leuchttürme Radiostrahlen aussenden. Wir können messen, wie schnell sie sich drehen, indem wir zählen, wie oft wir ihre Radiostrahlen in unsere Richtung rotieren sehen. Einige Pulsare können sich Hunderte Male pro Sekunde drehen, was dazu führt, dass sie in Radiowellen zu pulsieren scheinen, da ihre Strahlen wiederholt zu uns blitzen.
Besonders bemerkenswert ist, dass Pulsare die Zeit sehr gut einhalten, da ihre Pulsationsperioden zielsicher sind. Sollten jedoch Gravitationswellen an ihnen vorbeiziehen, würden sie den Raum zwischen uns und dem Pulsar verzerren, was unsere Sichtweise auf das Timing dieser Pulse beeinflussen würde.
Binäre Schwarze Löcher sind auch für das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher wichtig. Auf der 244. Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft im Juni dieses Jahres in Wisconsin wurden neue Ergebnisse vorgestellt, die zeigen, dass die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher ein wichtiger sekundärer Faktor für ihr enormes Wachstum ist, und wenn sie sich beim Verschmelzen spiralförmig aufeinander zubewegen, setzen sie Wellen von Gravitationswellen frei. Obwohl diese Gravitationswellen eine zu niedrige Frequenz haben, um von LIGO, dem Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium, entdeckt zu werden, könnte ein vorgeschlagener weltraumgestützter Detektor namens LISA, die Laser Interferometer Space Antenna, ihre Koaleszenz entdecken, wenn sie in großen kosmischen Zusammenstößen zusammenkommen.
Die Ergebnisse der Beobachtungen von OJ 287 wurden am 11. Juni in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
