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Eine Illustration eines supermassiven schwarzen Lochs (Bildnachweis: NASA)

Quasare, die hellsten Objekte im Kosmos, könnten als kosmische Wegweiser dienen, die Astronomen zu schwer fassbaren Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher führen.

Obwohl Wissenschaftler wissen, dass supermassive Schwarze Löcher mit einer millionen- oder gar milliardenfachen Sonnenmasse im Herzen der meisten, wenn nicht aller großen Galaxien lauern, waren binäre Paarungen dieser kosmischen Titanen bisher nur schwer zu entdecken. Das kann nicht daran liegen, dass Doppelgänger von supermassiven Schwarzen Löchern so unglaublich selten sind. Schließlich entstehen diese Giganten durch Verschmelzungen, die bei der Kollision von Galaxien beginnen. Das bedeutet, dass es da draußen eine große Anzahl supermassereicher Schwarzer Löcher geben muss, die kurz davor stehen, miteinander zu kollidieren und ein noch monströseres supermassereiches Schwarzes Loch zu erzeugen. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Quasare – die leuchtenden Herzen aktiver Galaxien, die durch die Fütterung supermassereicher schwarzer Löcher angetrieben werden – die Antwort auf diese Frage sein könnten. Das Forschungsteam geht davon aus, dass Galaxien mit Quasaren siebenmal häufiger supermassereiche Schwarze Löcher beherbergen könnten als andere Galaxien.

Die Entdeckungen könnten die Suche nach diesen monströsen Duos mit Hilfe von Gravitationswellen unterstützen, winzigen Wellen in Raum und Zeit (vereint als vierdimensionale Einheit namens Raumzeit), die erstmals 1915 in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurden.

„Diese Erkenntnisse sind nützlich für die gezielte Suche nach supermassiven Schwarzen Loch-Doppelgängern, bei der wir bestimmte Galaxien und Quasare nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einzelnen supermassiven Schwarzen Loch-Doppelgängern durchsuchen“, sagte der Hauptautor der Studie, Andrew Casey-Clyde, Doktorand an der University of Connecticut und Gastforscher an der Yale University, gegenüber kosmischeweiten.de.

„Unsere Ergebnisse bedeuten, dass diese gezielte Suche bis zu siebenmal wahrscheinlicher ist, Gravitationswellen von einem binären supermassiven Schwarzen Loch in einem Quasar zu finden als in einer zufälligen massereichen Galaxie“, sagte Casey-Clyde.

Anhand des kürzlich gemessenen Brummens des Universums, das als „Gravitationswellenhintergrund“ bezeichnet wird, stellten Casey-Clyde und seine Kollegen jedoch fest, dass die meisten dieser binären Quasark-Kandidaten wahrscheinlich falsche Entdeckungen sind.

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„Selbst nach Korrektur der großen Anzahl falsch positiver Ergebnisse in den CRTS-Kandidatenproben zeigt diese Arbeit, dass Quasare mit größerer Wahrscheinlichkeit supermassereiche Schwarze Löcher beherbergen als zufällige Galaxien“, sagte Casey-Clyde.

Supermassive Schwarze-Loch-Doppelgänger verstecken sich hinter den hellsten Objekten des Universums

Einige supermassereiche Schwarze Löcher sind von einer riesigen Menge an Material umgeben, und zwar in Form einer abgeflachten Gas- und Staubwolke, einer so genannten Akkretionsscheibe, die ihnen nach und nach Materie zuführt. Der immense Gravitationseinfluss dieser supermassiven schwarzen Löcher erzeugt in den Akkretionsscheiben starke Gezeitenkräfte, die durch Reibung dieses Material erhitzen und es im gesamten elektromagnetischen Spektrum hell leuchten lassen.

Außerdem wird Material, das dem Schwarzen Loch nicht zugeführt wird, zu seinen Polen geleitet, wo es als hoch kollimierte, hochenergetische Jets herausgeschleudert wird. Diese Jets strahlen auch elektromagnetische Strahlung ab. Infolge dieser Phänomene können diese zentralen galaktischen Regionen, die als „aktive galaktische Kerne“ (AGNs) bezeichnet werden, so hell sein, dass sie das Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie überstrahlen.

Oft ist das supermassive Schwarze Loch in der Lage, einen Quasar zu erzeugen, weil es sich in einer Galaxie befindet, die mit einer anderen Galaxie ähnlicher Größe verschmolzen ist. Diese Kollision wirkt wie ein kosmischer Fressnapf, der dem Schwarzen Loch frischen Nachschub an Gas und Staub bringt. Die galaktische Verschmelzung bringt auch zwei supermassereiche Schwarze Löcher in unmittelbare Nähe.

Binäre Quasare sind Systeme aus supermassereichen Schwarzen Löchern, deren Quasaraktivität von einer Akkretionsscheibe ausgeht, die beide supermassereichen Schwarzen Löcher im Binärsystem umgibt.

„Wir wissen, dass Quasare durch große Galaxienverschmelzungen ausgelöst werden können, bei denen zwei Galaxien mit ähnlicher Masse verschmelzen. Diese Verschmelzungen führen auch zur Bildung eines binären supermassiven schwarzen Lochs“, sagte Casey-Clyde. „Da supermassive Schwarze-Loch-Doppelsterne durch große Galaxienverschmelzungen entstehen und Quasare durch diese Verschmelzungen ausgelöst werden können, deutet dies darauf hin, dass einige Quasare mit supermassiven Schwarzen-Loch-Doppelsternen verbunden sein könnten.

Eine Illustration eines supermassiven schwarzen Lochs, das einen Jet abfeuert. (Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)

Supermassive Schwarze-Loch-Doppelsterne mögen ihre Quasare nicht zu hell

Für diese Forschung untersuchte das Team speziell Quasare mit Lichtausgängen, die sich über einen bestimmten Zeitraum wiederholen, Emissionen, die als periodische Lichtkurven bekannt sind. Simulationen haben nahegelegt, dass periodische Lichtkurven bei Quasaren die Signatur eines supermassereichen schwarzen Doppellochs sein könnten. Ein wesentlicher Bestandteil ihrer Studie war eine Sammlung von hochpräzise rotierenden Neutronenstern-Pulsaren, die so genannte NANOGrav-Pulsaranordnung. Pulsare, die sich Hunderte Male pro Sekunde drehen, können als hochempfindliche kosmische Stoppuhr verwendet werden, wenn sie in großer Zahl betrachtet werden.

Letztes Jahr entdeckte das NANOGrav-Pulsar-Array das schwache Signal von Hintergrund-Gravitationswellen, die von fernen Verschmelzungen von Schwarzen Löchern stammen, und das Team konnte diese Entdeckung nutzen, um die Population der supermassiven Schwarzen Löcher einzugrenzen. Die Pulsare von NANOGrav halfen dem Team dann, die Population der Quasare einzugrenzen.

Eine Illustration, die binäre Quasare im Prozess der Verschmelzung zeigt. (Bildnachweis: Internationales Gemini-Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick)

Da das Team eine Kombination aus elektromagnetischen Beobachtungen von Quasaren und NANOGrav-Pulsar-Array-Gravitationswellennachweisen verwendete, ist die Forschung ein Beispiel für „Multi-Messenger-Astronomie“ – Untersuchungen des Universums, die mindestens zwei völlig unterschiedliche Signale gemeinsam nutzen.

„Die Multi-Messenger-Astronomie war entscheidend für die Eingrenzung der binären Quasar-Population in dieser Arbeit. Da binäre Quasare eine Teilmenge sowohl der Quasar- als auch der supermassiven schwarzen Lochpopulationen sind, sind die Einschränkungen für jede dieser Populationen auch Einschränkungen für die binäre Quasarpopulation“, sagte Casey-Clyde. „Wir haben schon lange vermutet, dass Quasare auf supermassereiche Schwarze Löcher hinweisen könnten, da beide mit großen Galaxienverschmelzungen in Verbindung stehen. Jetzt haben wir gezeigt, dass dieser Zusammenhang immer noch plausibel ist, selbst wenn man die Kontamination in der CRTS-Stichprobe berücksichtigt.“

Die Ergebnisse überraschten Casey-Clyde und das Team auch, da sie feststellten, dass hellere Quasare weniger wahrscheinlich ein binäres supermassives schwarzes Loch beherbergen als schwächere Quasare.

„Die Tatsache, dass die hellsten Kandidaten für binäre Quasare die geringste Wahrscheinlichkeit haben, echt zu sein, war überraschend. Es macht jedoch Sinn, wenn man die Seltenheit von supermassereichen Schwarzen Löchern bedenkt“, so Casey-Clyde. „Das liegt daran, dass die hellsten binären Quasare mit den massereichsten supermassereichen schwarzen Doppelsternsystemen assoziiert sein müssen. Das bedeutet, dass supermassereiche Schwarze-Loch-Doppelsterne mit geringerer Masse länger in der Reichweite solcher Objekte verweilen, die von Pulsar-Zeitmessungsarrays erfasst werden können, und daher sehr viel wahrscheinlicher entdeckt werden.

Casey-Clyde fügte hinzu, dass die gezielte Suche nach Gravitationswellen einer der wichtigsten nächsten Schritte für diese Forschung ist, und fügte hinzu, dass das Team auch beabsichtigt, nach weit voneinander entfernten schwarzen Lochpaaren zu suchen, die das Stadium vor der Bildung eines nahen supermassereichen schwarzen Lochs darstellen: „Insbesondere die Entdeckung von Gravitationswellen von einer Galaxie, die einen Quasar beherbergt, wird es uns ermöglichen zu testen, wie die Bahnbewegung eines supermassereichen schwarzen Lochs die Lichtkurve des Quasars beeinflusst“, sagte er. Die Suche nach dualen AGN wird wichtig sein, um supermassive Schwarze-Loch-Paare einzugrenzen, die Vorläufer von supermassiven Schwarzen-Loch-Doppelsternen sind, die aus kürzlichen Galaxienverschmelzungen resultieren“, sagte er. „Dies wird es dem Team ermöglichen, die Anzahl der supermassiven Schwarzen-Loch-Doppelsterne, die sie im Kosmos erwarten, besser einzugrenzen und somit die Beziehung zwischen Quasaren und Galaxienverschmelzungen besser zu verstehen.

„Der Legacy Survey of Space and Time (LSST), der demnächst vom Vera C. Rubin-Observatorium durchgeführt wird, wird entscheidend dazu beitragen, die Population der binären Quasare besser einzugrenzen“, schloss Casey-Clyde. „Dazu müssen wir allerdings noch etwa ein Jahrzehnt an Beobachtungen abwarten, da man davon ausgeht, dass die Lichtkurven binärer Quasare Zeiträume von mehreren Jahren haben“, so Casey-Clyde.