Schwarze Löcher wachsen ihrer Galaxie davon

Das Röntgenteleskop eRosita entdeckt acht Galaxien, deren schwarze Löcher im Zentrum deutlich schwerer sind als bei anderen Galaxien

Auf den Punkt gebracht

• Schwarze Löcher und Galaxien: Acht untersuchte schwarze Löcher sind im Vergleich zu ihren Heimatgalaxien extrem massereich und wachsen schneller als die Galaxien selbst.
• Ungewöhnliche Masseverhältnisse: Das Verhältnis zwischen schwarzem Loch und Sternmasse der Galaxien liegt bei mindestens 1 zu 20, was deutlich über dem üblichen Wert von etwa 1 zu 200 liegt.
• Wachstumsphase der schwarzen Löcher: Die schwarzen Löcher wachsen, indem sie Materie aus ihrer Umgebung an sich binden. Das geschieht im Fall der zentralen schwarzen Löcher der acht Galaxien so schnell, dass diese ihre Masse jeweils innerhalb von nur etwa einer Milliarde Jahren verdoppeln könnten.
• Zukünftige Forschung: Weitere eRosita-Daten und hochaufgelöste Beobachtungen sollen klären, wie häufig diese Systeme sind und wie sich die Heimatgalaxien entwickeln.

In einem 140 Quadratgrad großen Himmelsfeld hat ein internationales Forschungsteam acht aktive schwarze Löcher identifiziert, deren Masse mindestens fünf Prozent der gesamten Sternmasse ihrer Heimatgalaxien beträgt. Im erdnahen Universum liegt dieser Anteil typischerweise bei etwa einem halben Prozent. Die Beobachtung stellt die verbreitete Vorstellung infrage, dass schwarze Löcher und Galaxien stets eng gekoppelt und gemeinsam wachsen.

Die Studie unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik basiert vor allem auf Daten des Röntgenteleskops eRosita. Denn bevor Materie in Form von Plasma auf das zentrale schwarze Loch fällt, umkreist es dieses in Form einer sogenannten Akkretionsscheibe. In nächster Nähe zum schwarzen Loch heizt sich diese Scheibe dermaßen auf, dass das Plasma Röntgenlicht abstrahlt. Wenn eRosita also im Zentrum einer Galaxie eine extrem helle Röntgenquelle misst, dann deutet das auf ein supermassereiches und akkretierendes schwarzes Loch hin. Solche aktiven Zentren von Galaxien werden auch Quasare genannt. Das Team untersuchte in dem Himmelsfeld 22.079 solcher Quasare.

„Wir gingen davon aus, dass zentrale schwarze Löcher stets eng gekoppelt mit ihren Galaxien wachsen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das nicht immer der Fall ist“, sagt Johannes Buchner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der die Studie gemeinsam mit internationalen Partnern leitete.

Eine ungewöhnliche Population

Bei den acht Objekten liegt das Verhältnis zwischen der Masse des schwarzen Lochs und der gesamten Sternmasse der Heimatgalaxie bei mindestens etwa 1 zu 20. Die schwarzen Löcher machen damit einen ungewöhnlich großen Anteil an der Masse ihrer Galaxien aus.

Die Forschenden wählten die acht Objekte aus der vollständigen Stichprobe aller untersuchten Quasare des Himmelsfelds aus. Eine statistisch besonders saubere Auswahl der 200 hellsten Quasare bestätigte zudem, dass es sich nicht nur um einzelne Ausreißer handelt. Simulationen berücksichtigten dabei sowohl die Auswahl der Quellen als auch die Unsicherheiten der Massenmessungen.

Die schwarzen Löcher besitzen Massen zwischen etwa 800 Millionen und vier Milliarden Sonnenmassen. Das entspricht ungefähr der tausendfachen Masse von Sagittarius A*, dem schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße.

Wie die Massen bestimmt wurden

Für die Massenbestimmung nutzte das Team optische Spektren der Sloan Digital Sky Survey. Besonders wichtig waren breite Linien von Wasserstoff. Sie entstehen in ionisiertem Gas, das sich in der Umgebung des schwarzen Lochs bewegt.

Aus der Breite der Linien lässt sich die Geschwindigkeit der Gaswolken ableiten, die das schwarze Loch umkreisen. Zusammen mit ihrer Entfernung vom schwarzen Loch schätzt das Team dessen Masse ab. Die Methode ist für den untersuchten Massenbereich und die betrachtete kosmische Epoche kalibriert. Für einzelne Objekte bleibt die Unsicherheit dennoch bei etwa einem Faktor drei. Die Schlussfolgerung betrifft daher nicht die exakte Masse jedes einzelnen schwarzen Lochs, sondern die statistisch gesicherte Existenz dieser extremen Population.

„Die Spektren zeigten uns schwarzen Löcher, die die Masse von einer Milliarde Sonnen besitzen, also etwa tausendmal massereicher als das schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie. Das ist schon beeindruckend!", findet Qiaoya Wu, Doktorandin an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Die Heimatgalaxien bleiben schwach

Während die schwarzen Löcher durch ihre Röntgenstrahlung eindeutig als aktive Quasare sichtbar sind, erscheinen ihre Heimatgalaxien in den verfügbaren Aufnahmen nur sehr schwach oder nicht eindeutig.

Das Team wertete dazu Beobachtungen im ultravioletten, optischen und infraroten Licht aus. Wären die Heimatgalaxien so massereich wie die Milchstraße, müssten sie in diesen Wellenlängenbereichen deutlich heller erscheinen. „Die geringe Helligkeit der Heimatgalaxien zeigt, dass sie keine Sternmasse wie eine Galaxie von der Größe der Milchstraße besitzen können. Andernfalls wären sie in den vorhandenen Bildern deutlich sichtbar“, sagt Johannes Buchner. Die Daten sprechen deshalb dafür, dass sie wesentlich weniger Sterne enthalten. Die Analyse beweist jedoch noch nicht, ob die Galaxien besonders kompakt sind, oder ob weiterhin neue Sterne entstehen. Hochaufgelöste Beobachtungen sollen diese Fragen klären.

Schwarze Löcher in einer Wachstumsphase

Die Röntgenstrahlung zeigt, dass die schwarzen Löcher derzeit Materie an sich binden (akkretieren). Um die aktuell gemessene Leuchtkraft des Galaxienkerns zu erklären, muss das schwarze Loch etwa 40 Millionen Sonnenmassen pro Milliarde Jahre an Masse zulegen. Diese Wachstumsrate steigert sich aber stark, je schwerer das schwarze Loch und je stärker damit dessen Anziehungskraft wird. Das eRosita Teleskop beobachtet die Systeme also während Wachstumssprints, also zu Zeiten mit exponenziellem Wachstum. Die Masse der Schwerkraftmonster könnte sich vermutlich innerhalb von ungefähr einer Milliarde Jahren verzehnfachen.

Wenn die Akkretion anhält, würde das Verhältnis zwischen schwarzem Loch und Sternmasse der Wirtsgalaxie weiter zunehmen. Ob die Galaxien gleichzeitig Sterne bilden, ist eine der offenen Fragen. „Die schwarzen Löcher sind im Verhältnis zu ihren Heimatgalaxien bereits ungewöhnlich massereich und nehmen dennoch weiterhin Materie auf“, sagt Catarina Aydar, Doktorandin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Ein Problem für die Modelle

Die Beobachtungen deuten auf ein Wachstum hin, bei dem schwarze Löcher zeitweise schneller an Masse gewinnen als die Sternpopulation ihrer Heimatgalaxien. Die gängigen kosmologischen Simulationen erzeugen solche extremen Systeme bislang nicht. Die entscheidende offene Frage lautet: Wie konnte das schwarze Loch so stark wachsen, ohne dass die Sternmasse der Galaxie im gleichen Maß zunahm?

Das Forschungsteam verglich seine Ergebnisse unter anderem mit den Simulationen Illustris, TNG, Horizon-AGN, Eagle, Simba, Magneticum und Astrid. Diese Modelle erzeugen überwiegend Schwarze-Loch-zu-Sternmassen-Verhältnisse nahe dem lokalen Wert von etwa 1 zu 200. Die in der Studie beobachteten extremen Verhältnisse erreichen sie nicht.

Der Cambridge-Professor Roberto Maiolino, der nicht an der Studie beteiligt war, fasst zusammen: „Die Ergebnisse des Teams von Johannes Buchner sind aufregend und unerwartet. Wir sind wir davon ausgegangen, dass Galaxien und ihre schwarzen Löcher in ihren Zentren eng verknüpft gemeinsam wachsen. Diese neuen Ergebnisse zeigen hingegen, dass schwarze Löcher im Vergleich zu ihren Galaxien extrem massereich werden können, offenbar weitgehend entkoppelt von der Sternentstehung in der Galaxie. Dieses Verhalten wird in aktuellen Modellen der Galaxienentwicklung nicht berücksichtigt und zwingt uns, wie schwarzer Löcher über die Geschichte des Universum wachsen, neu zu denken."

Weitere eRosita-Daten und spektroskopische Himmelsdurchmusterungen könnten zeigen, wie häufig solche Systeme sind. Hochaufgelöste Beobachtungen sollen klären, ob ihre Heimatgalaxien noch Sterne bilden, wie sie aufgebaut sind und auf welchem Weg Gas über lange Zeit in ihre zentralen schwarzen Löcher gelangte.