Erstes enges Paar extrem massereicher schwarzer Löcher aufgespürt?

Daten von Radioteleskopen erfassen Strukturen im Zentrum der Galaxie Markarian 501, die auf zwei sich umschlingende Materiejets hindeuten: eine starke Evidenz für zwei extrem massereiche schwarze Löcher, die sich umkreisen und womöglich schon in 100 Jahren verschmelzen

Auf den Punkt gebracht:

• Ein internationales Forschungsteam um Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat im Kern starke Hinweise auf zwei große Teilchenströme (Jets) gefunden.
• Es handelt sich um die erste Aufnahme dieser Art, die mithilfe eines internationalen Netzwerks aus Radioteleskopen erstellt wurde. Sie ist ein direkter Hinweis auf ein Paar extrem massereicher schwarzer Löcher, die sich sehr eng umkreisen und jeweils „Motoren” von Materiejets sind.
• Das Paar sollte sich in der letzten Phase vor dem Verschmelzen befinden. Bislang war nicht klar, ob es dieses Phänomen geben kann und ob man es würde beobachten können.

Nach aktuellen Erkenntnissen befindet sich im Zentrum fast jeder großen Galaxie ein extrem massereiches schwarzes Loch mit der millionen- oder sogar milliardenfachen Masse unserer Sonne. Noch ist unklar, wie genau sie diese enormen Massen erreichen können. Das Aufsammeln (Akkretieren) von Gas aus der Umgebung allein würde zu lange dauern, sodass sie vermutlich mit anderen massereichen schwarzen Löchern verschmelzen müssen. Kollisionen zwischen Galaxien wurden schon im ganzen Universum beobachtet. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass auch die extrem massereichen schwarzen Löcher im Zentrum dieser kollidierenden Galaxien miteinander verschmelzen, wobei sie sich zunächst immer näher umkreisen und schließlich eins werden.

Verräterischer Teilchenstrahl

Theoretische Modelle können diese letzte Phase allerdings noch nicht zuverlässig beschreiben. Erschwerend kommt hinzu, dass sich bisher kein enges Paar massereicher schwarzer Löcher sicher nachweisen ließ, obwohl Kollisionen zwischen Galaxien auf kosmischen Zeitskalen keine Seltenheit sind. Ein internationales Team um Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn fand direkte Hinweise auf genau ein solches Paar im Herzen der aktiven Galaxie Markarian (Mrk) 501. 

Das schwarze Loch im Zentrum von Mrk 501 schleudert einen gewaltigen Strahl fast lichtschneller Teilchen – einen Jet – in das All hinaus. Für die Studie analysierte das Team hochaufgelöste Beobachtungen der Region. Diese decken verschiedene Radiofrequenzen ab und wurden an Dutzenden Tagen verteilt über einen Zeitraum von zirka 23 Jahren gesammelt. In diesen Langzeitdaten zeigen sich Strukturen, die sich nicht nur mit einem einzelnen Jet, sondern mit zwei Jets erklären lassen. Es wäre die erste direkte Abbildung eines solchen Systems im Zentrum einer Galaxie und ein deutlicher Hinweis auf die Existenz eines zweiten extrem massereichen Schwarzen Lochs. „Wir haben so lange danach gesucht und dann kam es völlig überraschend, dass man einen zweiten Jet nicht nur sehen, sondern ihn sogar in der Bewegung verfolgen kann“, berichtet Silke Britzen.

Enger Tanz der Schwarzen Löcher

Der erste Jet zeigt Richtung Erde, weshalb er uns besonders hell erscheint und schon lange bekannt ist. Der zweite Jet ist anders orientiert und war daher schwieriger nachzuweisen. Die Astronominnen und Astronomen konnten über einen Zeitraum von nur wenigen Wochen erhebliche Änderungen beobachten: Der zweite Jet startet hinter dem größeren schwarzen Loch und bewegt sich gegen den Uhrzeigersinn um dieses herum. Dieser Prozess wiederholt sich. „Die Daten auszuwerten fühlte sich an, wie auf einem Schiff zu sein. Das gesamte Jet-System ist in Bewegung. Ein System aus zwei schwarzen Löchern kann das erklären: Die Bahnebene schwankt“, erklärt Silke Britzen. An einem Beobachtungstag im Juni 2022 erreichte uns die von ihm ausgesandte Strahlung auf einer so krummen Bahn, dass sie ringförmig erschien – ein sogenannter Einsteinring. Eine mit der Interpretation eines Doppel-Schwarzloch-Systems stimmige Erklärung wäre, dass das System perfekt auf uns ausgerichtet war. Der Gravitationslinseneffekt des vorderen, bekannten schwarzen Lochs lenkte das Licht des zweiten Jets dahinter ab.

Aus dem zeitlichen Verlauf und wiederkehrenden Mustern in der Helligkeit der Jets konnten die Forschenden unter anderem ableiten, dass sich die beiden schwarzen Löcher mit einer Periode von ungefähr 121 Tagen umkreisen. Ihr Abstand zueinander ist dabei etwa 250 bis 540 Mal so groß wie der zwischen Erde und Sonne – winzig für so extreme Objekte mit 100 Millionen bis einer Milliarde Sonnenmassen. Je nach ihren tatsächlichen Massen könnte ihr Abstand so schnell abnehmen, dass ein Verschmelzen in rund 100 Jahren möglich wäre.

Countdown zum Finale

Aufgrund der großen Entfernung zwischen Mrk 501 und der Erde können die beiden schwarzen Löcher selbst mit fortschrittlichsten Beobachtungsmethoden nicht als getrennte Objekte abgebildet werden. Nicht einmal das Event Horizon Telescope (EHT), das uns in den Jahren 2019 und 2022 die ersten Bilder schwarzer Löcher lieferte, ist leistungsfähig genug. Der immer engere Umlauf des Paares in Mrk 501 wird also nicht direkt beobachtet werden können. Dennoch erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eindeutige Beweise des immer kleiner werdenden Abstands zwischen den beiden schwarzen Löchern: Das System sollte Gravitationswellen mit sehr niedrigen Frequenzen aussenden, die sich mit Hilfe von Pulsar Timing Arrays (PTAs) nachweisen lassen könnten.

Paare extrem massereicher schwarzer Löcher sind bereits die favorisierte Erklärung für den Gravitationswellenhintergrund, der im Jahr 2023 mit dem European Pulsar Timing Array und anderen Anlagen entdeckt wurde. Mrk 501 ist nun ein erstklassiger Kandidat dafür, die mit PTAs gemessenen Gravitationswellen einem bestimmten System aus zwei extrem massereichen schwarzen Löchern zuzuordnen. „Wenn Gravitationswellen nachgewiesen werden, könnten wir sogar beobachten, wie ihre Frequenz stetig ansteigt, während sich die beiden Giganten spiralförmig aufeinander zu bewegen. Dies würde uns die seltene Gelegenheit bieten, das Verschmelzen von extrem massereichen schwarzen Löchern mitzuerleben“, bemerkt Co-Autor Héctor Olivares.

 

Zusätzliche Informationen

Die folgenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die mit dem MPIfR affiliiert sind, sind an der aktuellen Veröffentlichung beteiligt: Silke Britzen, Frédéric Jaron und Nicholas Roy McDonald.