Eine Illustration eines ultramassiven schwarzen Lochs, umgeben von Gas und Staub, von dem es sich ernährt, um zu wachsen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)
Wissenschaftler glauben, dass im Herzen aller großen Galaxien supermassive schwarze Löcher lauern, kosmische Titanen mit Massen, die denen von Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entsprechen. Doch einige Schwarze Löcher übertreffen sogar diese monströsen Massen und werden zu „ultramassiven Schwarzen Löchern“.
Das massivste Schwarze Loch, das uns derzeit bekannt ist, ist Phoenix A, das sich im Herzen des Phoenix-Haufens befindet, einem der größten jemals entdeckten Haufen. Phoenix A befindet sich in 5,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung und hat eine geschätzte Masse von 100 Milliarden Sonnen. Ein weiteres gigantisches Schwarzes Loch ist Tonantzintla 618 (Ton 618), das etwa eine Milliarde Lichtjahre entfernt ist und eine Masse von etwa 66 Milliarden Sonnen hat.
Angesichts von ultramassiven Schwarzen Löchern wie Phoenix A und Ton 618 könnte man sich fragen, ob es eine Grenze gibt, wie groß ein Schwarzes Loch werden kann.
Wissenschaftler haben sich diese Frage schon lange gestellt, und ein Team unter der Leitung von Priyamvada Natarajan vom Fachbereich Astronomie der Yale University glaubt, die Antwort gefunden zu haben.
„Wir haben ultramassive Schwarze Löcher als Schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als dem 10-Milliardenfachen der Sonnenmasse definiert“, sagt Natarajan gegenüber kosmischeweiten.de. „Supermassive Schwarze Löcher sind definiert als schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als dem 10-Millionenfachen der Sonnenmasse. Ultramassive Schwarze Löcher wären also im Durchschnitt 10.000 Mal massereicher als supermassive Schwarze Löcher.“
Ein Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und seines Schattens. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Wo werden ultramassive schwarze Löcher gejagt?
Bevor Wissenschaftler ultramassive Schwarze Löcher erforschen können, müssen sie zunächst feststellen, wo diese kosmischen Großspiele umherziehen. Natarajan erklärte, dass ein Hinweis darauf darin besteht, dass die Masse der zentralen supermassiven schwarzen Löcher mit der Masse der Sterne in den Galaxien, die sie beherbergen, korreliert zu sein scheint. Galaxien mit mehr Sternen und damit größeren „stellaren Massen“ sollten daher massereichere supermassereiche Schwarze Löcher beherbergen.
„Diese Skalierungsbeziehung deutet darauf hin, dass es eine tiefe und tiefgreifende Verbindung zwischen dem Wachstum von Schwarzen Löchern und der Entstehung von Sternen in ihren Wirtsgalaxien gibt“, sagte Natarajan.
Ultramassive Schwarze Löcher mit den gewaltigsten Massen sollten sich daher in den hellsten Galaxien mit den meisten Sternen befinden. Die hellsten Galaxien im Zentrum von Galaxienhaufen, die so genannten „Brightest Central Galaxies (BCGs)“, wären somit die optimalen Kandidaten für ultramassive Schwarze Löcher.
„Ultramassive Schwarze Löcher wurden dort gefunden, wo wir sie nach unseren Ergebnissen erwarten würden, nämlich in den Zentren der nahe gelegenen BCGs. Was mich überrascht, ist die Tatsache, dass Schwarze Löcher aller Größen im Grunde überall im Universum zu finden sind“, so Natarajan.
„Galaxien scheinen mehrere Schwarze-Loch-Populationen zu beherbergen, ein ultramassives Schwarzes Loch oder ein supermassives im Zentrum, je nach Helligkeit der Galaxie; eine ganze Population wandernder Schwarzer Löcher, die sich außerhalb des Zentrums befinden und überall verteilt sind und deren Masse von supermassiven Schwarzen Löchern bis hin zu kleineren Massen reichen könnte“, fügte der Astronom hinzu.
Screenshot aus einer NASA-Animation, die einige der größten Schwarzen Löcher des Universums zeigt, darunter TON 618, das etwa so massiv ist wie 60 Milliarden Sonnen. (Bildnachweis: NASA)
Warum sollte es also überhaupt eine Grenze für die Masse von Schwarzen Löchern geben?
Könnten diese galaxienbeherrschenden Titanen nicht einfach wachsen und wachsen und wachsen, wobei die einzigen Grenzen die Menge an Gas, Staub und Sternen sind, die ihnen zur Verfügung stehen, und die Zeit, die sie zum „Fressen“ hatten?
Es stellt sich heraus, dass es eine Obergrenze gibt und Schwarze Löcher sich diese Wachstumsgrenze tatsächlich selbst auferlegen.
„Nach unseren theoretischen Überlegungen bremsen supermassive schwarze Löcher ihr eigenes Wachstum“, erklärt Natarajan. „Das ist die Sequenz, die wir erwarten: Gas strömt in das Zentrum einer Galaxie, um das supermassive Schwarze Loch zu speisen. Allerdings schafft es nicht das gesamte Gas bis zum Horizont des supermassiven Schwarzen Lochs und wird akkretiert. Vielmehr schafft es nur ein kleiner Teil, und der Rest wird von den Schwarzen Löchern herausgetröpfelt. Sie sind sehr unordentliche Fresser!“
Eine Illustration der zentralen aktiven Region einer Galaxie, die von einem supermassiven schwarzen Loch gespeist wird, das einen Gasausfluss ausstößt (Bildnachweis: JAXA)
Der Teil des Gases, der nicht in das Schwarze Loch fällt, wird in Form von starken und sich schnell bewegenden Ausströmungen oder „astrophysikalischen Jets“ weggeschleudert, die sich über Dutzende von Lichtjahren über ihre Wirtsgalaxie hinaus erstrecken können.
Diese Ausströmungen treffen schließlich auf Gas, das sich weiter entfernt von der Quelle des Schwarzen Lochs in der umgebenden Galaxie befindet, und heizen es auf, verwandeln es und wirken sich direkt auf die Entstehung von Sternen in dieser Galaxie aus. Denn Sterne entstehen, wenn Gas- und Staubwolken abkühlen und sich verdichten. Jets verhindern die Sternentstehung, indem sie dieses Gas aufheizen und es an der Kondensation hindern, erklärt Natarajan.
Durch die Wirkung dieser Jets wird auch Gas aus dem Zentralbereich der Galaxie weggedrückt, wodurch die „Nahrungsquelle“ für das Material, das zum zentralen Schwarzen Loch fließt, abgeschnitten wird und sich die Abflüsse somit selbst regulieren. Das bedeutet, dass es eine natürliche Rückkopplungsschleife zum Wachstum des Schwarzen Lochs gibt.
Natarajan sagte, dass das Wachstum des Schwarzen Lochs gestört wird, sobald das Gas in den inneren Regionen der Galaxien vollständig verbraucht ist, da kein Gas mehr aus dem Rest der Galaxie in die Zentralregion fließen kann und sein Wachstum gehemmt wird.
Ein Diagramm, das den Massenbereich von ultramassiven, supermassiven und stellaren Schwarzen Löchern zeigt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Betrachtet man die Art und Weise, wie Schwarze Löcher wachsen, und das natürliche Rückkopplungssystem, das ihre Nahrungszufuhr abzuschneiden und ihr Wachstum zu bremsen scheint, so läge die Grenze für ultramassive Schwarze Löcher bei etwa 100 Milliarden Sonnenmassen, so Natarajan.
Wenn Natarajan und seine Kollegen Recht haben, könnte Phoenix A nicht nur das massivste Schwarze Loch sein, das wir je entdeckt haben, sondern auch das größte Schwarze Loch, das wir je entdecken werden, da es sich genau an dieser Grenze befindet.
Natarajan und ihr Team sind noch nicht fertig mit Schwarzen Löchern, aber sie verlagern ihren Fokus auf weniger winzige, aber nicht weniger faszinierende Exemplare dieser kosmischen Titanen.
Das Team möchte schwarze Löcher mit Massen zwischen supermassiven schwarzen Löchern und stellarmassen schwarzen Löchern untersuchen. Die Mitglieder der letztgenannten Gruppe sind etwa 100-mal so groß wie die Sonne und entstehen durch den Zusammenbruch massereicher Sterne am Ende ihres Lebens. Die faszinierende Klasse zwischen supermassiven und stellarmassiven Schwarzen Löchern wird als „mittelschwere Schwarze Löcher“ bezeichnet und hat sich für Astronomen, die nach ihnen suchen, als schwer fassbar erwiesen.
„Als Nächstes gilt es, die Lücke zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und stellarmassen Schwarzen Löchern zu schließen“, schloss Natarajan. „Es muss eine große Population von Schwarzen Löchern mit mittlerer Masse geben, deren Masse das 1.000- bis 10.000-fache der Sonnenmasse beträgt und die wir erst jetzt langsam zu entdecken beginnen.“
Die Forschungsarbeit des Teams ist auf der Website arXiv veröffentlicht.
