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Eine Illustration zeigt ein rotierendes supermassives Schwarzes Loch (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wissenschaftler haben entdeckt, dass einige supermassereiche schwarze Löcher viel schneller rotieren als erwartet. Diese Entdeckung ist das Ergebnis einer neuen Form der „Archäologie der Schwarzen Löcher“, die die Rotation der Schwarzen Löcher mit dem Gas und dem Staub in Verbindung bringt, die sie im Laufe von 7 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte verzehrt haben, um zu wachsen.

Die mit freundlicher Genehmigung des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) gewonnenen Erkenntnisse lassen auf einige Dinge schließen. Zum einen könnte das frühe Universum geordneter gewesen sein als bisher angenommen. Und zweitens könnte das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher durch die Verschmelzungskette immer größerer Schwarzer Löcher (die durch die Kollision und Verschmelzung von Galaxien ausgelöst wird) dadurch ergänzt werden, dass die Objekte sich unersättlich von umgebendem Gas und Staub ernähren.

„Wir haben die riesigen schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien untersucht, von heute bis vor sieben Milliarden Jahren“, sagte Logan Fries von der University of Connecticut in einer Erklärung. „Unerwartet fanden wir heraus, dass sie sich zu schnell drehten, um allein durch Galaxienverschmelzungen entstanden zu sein. „Sie müssen zu einem großen Teil durch herabfallendes Material entstanden sein, das das Schwarze Loch gleichmäßig wachsen ließ und seine Rotation beschleunigte.“

Balkenlochspin zu messen ist nicht einfach

Trotz ihrer Eigenschaft als kosmische Monster, die ganze Galaxien um sich herum formen, sind supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- oder milliardenfachen Masse der Sonne (und ihre winzigeren stellaren Gegenstücke) im Großen und Ganzen recht einfach: Sie lassen sich durch nur drei Merkmale definieren: Masse, Spin und – weniger wichtig – elektrische Ladung. Der Physiker John Wheeler hat dieses Fehlen von Unterscheidungsmerkmalen witzig erklärt: „Schwarze Löcher haben keine Haare.“

„Schwarze Löcher wirken so exotisch, aber man kann sie mit nur zwei Zahlen vollständig beschreiben: Masse und Spinrate“, erklärt Fries. „Das Problem ist, dass die Masse schwer zu messen ist und der Spin noch schwerer.“

(Links) Künstlerische Eindrücke eines Schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe mit unterschiedlichen Spins. (Rechts) das entsprechende Mehrwellenlängenspektrum, das in jedem dieser Löcher zu beobachten wäre. (Bildnachweis: Links: NASA/JPL-CaltechRechts: Logan Fries und die SDSS-Kollaboration)

Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Schwarzes Loch dreht, ist schwer von der Geschwindigkeit zu unterscheiden, mit der sich die umgebende abgeflachte Gas- und Staubwolke – die Akkretionsscheibe – dreht.

„Die Herausforderung besteht darin, die Drehung des Schwarzen Lochs von der Drehung der es umgebenden Akkretionsscheibe zu trennen“, so Jonathan Trump, Mitglied des Teams und Forscher an der University of Connecticut, in der Erklärung. „Der Schlüssel liegt in der Betrachtung der innersten Region, wo Gas in den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs fällt. „Ein sich drehendes Schwarzes Loch zieht dieses innerste Material mit sich, was zu einem beobachtbaren Unterschied führt, wenn wir uns die Details unserer Messungen ansehen.“

Ein kosmischer Fossiliennachweis

Das Team stellte sich der anspruchsvollen Aufgabe, den Spin von Schwarzen Löchern mithilfe des SDSS-Projekts Reverberation Mapping zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projekts wurden für Hunderte von Schwarzen Löchern äußerst präzise Massenmessungen durchgeführt und gleichzeitig detaillierte Beobachtungen der Strukturen der Akkretionsscheiben der Löcher vorgenommen.

Diese Daten liegen in Form von Spektren vor, d. h. von Licht, das im gesamten elektromagnetischen Spektrum ausgestrahlt wird. Mit diesen Daten können die Wissenschaftler die Rotationsgeschwindigkeit eines zentralen Schwarzen Lochs messen.

Eine subtile Verschiebung der Wellenlänge des Lichts verrät viel über die Rotation des Schwarzen Lochs. Wenn Material in das Schwarze Loch fällt, bringt es auch einen Drehimpuls mit sich – diese Rotation verrät Details über die vergangene Ernährung eines Schwarzen Lochs.

„Ich nenne diesen Ansatz ‚Archäologie des Schwarzen Lochs‘, denn wir versuchen zu verstehen, wie die Masse eines Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit gewachsen ist“, so Fries. „Wenn man sich den Spin des Schwarzen Lochs anschaut, sieht man im Grunde seine Fossilien.“

Eine Illustration eines supermassiven schwarzen Lochs im frühen Kosmos. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Diese „fossile Aufzeichnung“ kann entschlüsselt werden, wenn Wissenschaftler die beobachtete Spinrate mit der vorhergesagten vergleichen.

Das derzeit favorisierte Modell geht davon aus, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch Verschmelzungen entstehen, wenn ihre Heimatgalaxien kollidieren und verschmelzen. Da diese einzelnen Galaxien ihre eigenen Rotationsgeschwindigkeiten und zufälligen Ausrichtungen haben, könnten sich diese Rotationen bei der Verschmelzung aufheben. Oder sie könnten sich zumindest zusammenschließen. Beide Ergebnisse sollten gleich wahrscheinlich sein.

Daher erwarten Wissenschaftler, dass sich schwarze Löcher sehr langsam drehen. Das hat dieses Team jedoch nicht entdeckt.

Ein Diagramm des beobachteten Spins schwarzer Löcher in der Geschichte des Universums, von der Vergangenheit zur Gegenwart, von links nach rechts. Die dicken farbigen Punkte stellen die beobachteten Drehungen von Schwarzen Löchern dar – blau zeigt eine Rotation in dieselbe Richtung wie die Akkretionsscheibe, grau zeigt wenig oder keine Rotation und rot zeigt eine Rotation in die entgegengesetzte Richtung. Das grüne Oval zeigt, was bei einem Wachstum des Schwarzen Lochs durch sanfte Akkretion zu erwarten wäre; das rosa Oval zeigt, was bei einer Verschmelzung zu erwarten wäre. (Bildnachweis: Links: Logan Fries und die SDSS-Kollaboration, oben rechts: NASA, ESA und The Hubble Heritage Team (STScI)Unten rechts: NASA/CXC/M.Weiss)

Diese Forschung hat nicht nur gezeigt, dass sich viele schwarze Löcher schneller drehen als erwartet, sondern auch, dass sich schwarze Löcher in weiter entfernten Galaxien noch schneller drehen als die im lokalen Universum.

Das deutet darauf hin, dass sich der Spin der schwarzen Löcher im Laufe der Zeit allmählich aufbauen könnte. Dies könnte unter anderem dadurch geschehen, dass das Schwarze Loch durch die allmähliche Anhäufung von Staub und Gas einen Drehimpuls aufbaut.

Forscher könnten diese Idee weiter testen und diese Ergebnisse mit Hilfe von Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) verifizieren, das in den drei Jahren seines Betriebs supermassive schwarze Löcher aus immer früheren Epochen des Universums gefunden hat.

„Schwarze Löcher befinden sich wirklich an der Grenze des menschlichen Verständnisses“, sagte Juna Kollmeier, die Direktorin von SDSS-V, der aktuellen Phase der SDSS, in der Erklärung. „Wir führen massive Durchmusterungen wie die SDSS durch, um ein empirisches astrophysikalisches Bild ihrer grundlegenden Eigenschaften zu erstellen, anhand dessen unsere theoretischen Modelle getestet werden können.“

Fries präsentierte die Ergebnisse des Teams am 14. Januar auf der 245. Tagung der American Astronomical Society (AAS) in National Harbor, Maryland.