Forschung

Galaktisches Schwergewicht

03.12.2019 - Schwarzes Loch mit vierzig Milliarden Sonnenmassen im Zentrum des Galaxienhaufens Abell 85 entdeckt.

Eine Analyse der Geschwin­digkeiten von Millionen von Sternen in der zentralen Galaxie des Abell 85-Galaxienhaufens hat zu der Entdeckung eines extrem masse­reichen schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie geführt – es ist vierzig Milliarden Mal schwerer als unsere Sonne. Astronomen an der Universitäts-Sternwarte München und am Max-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik MPE analysierten hierfür neue photometrische Daten des Wendelstein Obser­vatoriums sowie neue hoch­auflösende, spektrale Beobachtungen mit MUSE-Instrument am Very Large Telescope VLT. Es ist das masse­reichste Schwarze Loch, das jemals direkt aufgrund der Bewegung von Sternen bestimmt wurde

Obwohl allein die Sterne in der Zentralgalaxie des Galaxien­haufens zusammen­genommen die enorme Masse von mehr als zwei Billionen Sonnen­massen haben, ist das Zentrum der Galaxie extrem diffus und lichtschwach. Die Forschergruppe wollte deshalb einen genaueren Blick auf diese Galaxie werfen. Die zentrale diffuse Region der Galaxie hat eine enorme Ausdehnung, vergleichbar mit der der Großen Magellanschen Wolke; dies brachte die Wissen­schaftler auf die Idee, dass sich hier ein schwarzes Loch mit einer unge­wöhnlich großen Masse verbirgt.

Der Galaxien­haufen Abell 85, der aus mehr als 500 einzelnen Galaxien besteht, befindet sich in einer Entfernung von 700 Millionen Lichtjahren von der Erde und ist damit doppelt so weit entfernt wie irgendeine andere Galaxie, in der bis jetzt die Masse eines Schwarzen Lochs direkt gemessen wurde. „Es gibt nur wenige Dutzend direkte Massen­bestimmungen supermasser­eicher Schwarzer Löcher – und noch nie zuvor ist es in einer solch großen Entfernung gelungen“, erklärt Jens Thomas, der die Studie leitete. „Aber wir hatten bereits eine Ahnung von der Größe des schwarzen Lochs in dieser speziellen Galaxie, also haben wir es probiert.“

Die neuen Daten ermög­lichten es dem Team, eine Massen­abschätzung durchzuführen, die direkt auf den kollektiven Bewegungen der Sterne um den Kern der Galaxie basiert. Mit einer Masse von vierzig Milliarden Sonnenmassen ist dies das massereichste Schwarze Loch, das derzeit im lokalen Universum bekannt ist. „Es ist um ein Vielfaches größer, als man es aufgrund indirekter Messungen, wie der Sternmasse oder der Geschwindigkeits­dispersion der Galaxie, erwarten würde“, sagt Roberto Saglia. Die Messungen der Galaxie zeigen ein extrem lichtschwaches Zentrum mit nur noch sehr wenigen Sternen – dies ist zwar ähnlich wie in manchen anderen elliptischen Galaxien, aber sehr viel stärker ausgeprägt. „Das Lichtprofil im inneren Kern nimmt zum Zentrum hin auch nicht mehr zu“, erklärt Doktorand Kianusch Mehrgan, der die Daten­analyse durchführte. „Das bedeutet, dass die meisten Sterne aufgrund von Inter­aktionen bei voran­gegangenen Verschmelzungen von schwarzen Löchern aus dem Zentrum geschleudert worden sein müssen.“

Nach gängiger Auffassung entstehen diese diffusen Kerne in den größten elliptischen Galaxien, weil die Sterne aus dem Zentrum heraus­gefegt werden. Bei der Verschmelzung von zwei Galaxien bilden deren schwarze Löcher zunächst ein Paar, bevor sie schließlich auch verschmelzen. Sterne auf Flugbahnen, die in die Nähe der beiden schwarzen Löcher führen, werden durch gravitative Wechsel­wirkungen aus dem Zentrum der Restgalaxie heraus­geschleudert. Ist im Zentrum der Galaxie kein Gas mehr vorhanden, um neue Sterne zu bilden, führt dies dazu, dass der Kern immer diffuser und ärmer an Sternen wird.

„Die neueste Generation von Computer­simulationen der Verschmelzung von Galaxien lieferte uns Vorhersagen, die tatsächlich gut zu den beobachteten Eigenschaften passen“, sagt Jens Thomas, der auch die dynamischen Modelle beisteuerte. „Diese Simu­lationen beinhalten die Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem Schwarzen-Loch-Paar; die wesentliche Komponente sind aber zwei elliptische Galaxien, die bereits diffuse Kerne haben. Die Form des Lichtprofils und die Flugbahnen der Sterne sind sehr wertvolle archäo­logische Informationen und verraten uns, wie sich der Kern in dieser Galaxie gebildet hat – dies lässt sich auch auf andere sehr massereiche Galaxien übertragen.“

Selbst vor dem Hintergrund dieser unge­wöhnlichen Entstehungs­geschichte in einer Kette von Verschmelzungen konnten die Wissenschaftler eine neue und robuste Beziehung zwischen der Masse des zentralen schwarzen Lochs und der Oberflächen­helligkeit der Galaxie herstellen: Mit jeder Verschmelzung gewinnt das schwarze Loch an Masse, während das Galaxien­zentrum Sterne verliert. Astronomen könnten diese Beziehung für Massen­abschätzungen von schwarzen Löchern in noch entfernteren Galaxien nutzen, bei denen direkte Messungen der Bewegung der Sterne nahe am schwarzen Loch nicht möglich sind.

LMU / JOL

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