Vermisst: Ein Schwarzes Loch mit 10 Milliarden Sonnenmassen

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Geschrieben von Dennis Overbye

Astronomen suchen im kosmischen Fundbüro nach einem der größten und schlimmsten Schwarzen Löcher, von denen angenommen wird, dass sie existieren. Bisher haben sie es nicht gefunden.

In den letzten Jahrzehnten ist es Teil der astronomischen Überlieferung geworden, dass im Zentrum jeder Galaxie ein riesiges Schwarzes Loch lauert, in dem das Äquivalent von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen verschwunden ist. Je größer die Galaxie ist, desto massiver ist das Schwarze Loch in seiner Mitte.

So war es vor einem Jahrzehnt eine Überraschung, als Marc Postman vom Space Telescope Science Institute mit dem Hubble-Weltraumteleskop zur Untersuchung von Galaxienhaufen eine übergroße Galaxie ohne Anzeichen eines Schwarzen Lochs in ihrer Mitte fand. Normalerweise würde der Kern der Galaxie einen Knick zusätzlichen Lichts in seiner Mitte haben, eine Art funkelnder Umhang, der von Sternen erzeugt wurde, die dort durch die Schwerkraft eines riesigen Schwarzen Lochs gesammelt worden waren.

Im Gegenteil, genau in der Mitte des breiten Kerns der Galaxie, wo eine leichte Beule im Sternenlicht hätte sein sollen, gab es eine leichte Neigung. Darüber hinaus befand sich der gesamte Kern, eine Wolke von Sternen mit einem Durchmesser von etwa 20.000 Lichtjahren, nicht einmal mitten in der Galaxie.

In einem von der NASA bereitgestellten Bild wurde ein zusammengesetztes Bild des Galaxienhaufens Abell 2261 aus Röntgen-, optischen und Infrarotdaten erstellt. Wissenschaftler untersuchen die Knoten in ihrem Kern auf Anzeichen eines supermassiven Schwarzen Lochs. (Die New York Times)

“Oh mein Gott, das ist wirklich ungewöhnlich”, erinnerte sich Tod Lauer, Experte für galaktische Kerne am National Optical Astronomy Observatory in Tucson, Arizona, und Autor des Papiers, als Postman ihm den Befund zeigte.

Das war im Jahr 2012. In den letzten Jahren haben die beiden Forscher und ihre Kollegen nach Röntgenstrahlen oder Radiowellen aus dem fehlenden Schwarzen Loch gesucht.

Die Galaxie ist die hellste in einem Cluster namens Abell 2261. Von hier aus sind es etwa 2,7 Milliarden Lichtjahre, im Sternbild Herkules am Nordhimmel, nicht weit vom markanten Stern Vega entfernt. Nach der Standard-Faustregel sollte das im Zentrum der 2261-Galaxie fehlende Schwarze Loch 10 Milliarden Sonnenmassen oder mehr betragen. Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße hat vergleichsweise nur etwa 4 Millionen Sonnenmassen.

Wo hat die Natur das Äquivalent von 10 Milliarden Sonnen versteckt?

Eine Möglichkeit ist, dass das Schwarze Loch da ist, aber verstummt ist und vorübergehend nichts mehr zu essen hat. Eine andere provokative Möglichkeit, sagen Lauer und seine Kollegen, ist, dass das Schwarze Loch insgesamt aus der Galaxie geworfen wurde.

“Eine Grube in jedem Pfirsich”

Der Nachweis letzterer könnte einen Einblick in einige der gewalttätigsten und dynamischsten Prozesse in der Evolution von Galaxien und des Kosmos geben, über die Astronomen theoretisiert, aber nie gesehen haben – einen Tanz aus Titankräften und wirbelnden Welten, die Sterne und Planeten durch die Leere schleudern können .

“Es ist ein faszinierendes Rätsel, und wir sind in dem Fall”, sagte Postman in einer E-Mail. Er fügte hinzu, dass das kommende James Webb-Weltraumteleskop die Fähigkeit haben würde, sozusagen Licht in den Fall zu bringen.

“Was passiert, wenn Sie ein supermassereiches Schwarzes Loch aus einer Galaxie auswerfen?” Fragte Lauer.

Lauer ist Teil einer informellen Gruppe, die sich Nukers nennen. Die Gruppe kam zum ersten Mal unter Sandra Faber von der University of California in Santa Cruz in den frühen Tagen des Hubble-Weltraumteleskops zusammen. In den letzten vier Jahrzehnten haben sie versucht, die Natur galaktischer Kerne aufzuklären, indem sie mit dem scharfen Auge von Hubble und anderen neuen Einrichtungen in die intimen Herzen ferner Galaxien blickten.

“Die Geschichte von A2261-BCG”, sagte er unter Bezugnahme auf den formalen Namen der Galaxie in der Literatur, “ist das, was mit den massereichsten Galaxien im Universum, den riesigen elliptischen Galaxien, am Endpunkt der Galaxienentwicklung passiert.”

Schwarze Löcher sind Objekte, die so dicht sind, dass nicht einmal Licht aus ihren Gravitationskupplungen entweichen kann. Sie sind per Definition unsichtbar, aber der Aufruhr – Röntgenstrahlen und Funkschreie -, der durch Material verursacht wird, das in seinen Griff fällt, ist im gesamten Universum zu sehen. Die Entdeckung von Quasaren in den Zentren von Galaxien in den 1960er Jahren veranlasste Astronomen zunächst zu der Annahme, dass supermassereiche Schwarze Löcher für solche Feuerwerke verantwortlich sind.

Um die Jahrhundertwende waren Astronomen zu dem Schluss gekommen, dass jede Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Busen beherbergte, das millionen- bis milliardenfach massereicher als die Sonne war. Woher sie kamen – ob sie aus kleineren Schwarzen Löchern gewachsen sind, die sich durch den Zusammenbruch von Sternen gebildet haben oder durch einen anderen Prozess früh im Universum entstanden sind – ist niemand sicher. “In jedem Pfirsich steckt eine Grube”, sagte Lauer.

Aber wie wirken sich diese Entitäten auf ihre Umgebung aus?

1980 schrieben drei Astronomen, Mitchell Begelman, Martin Rees und Roger Blandford, darüber, wie diese Schwarzen Löcher die Entwicklung der von ihnen bewohnten Galaxien verändern würden. Wenn zwei Galaxien kollidierten und verschmolzen – ein besonders häufiges Ereignis im früheren Universum -, trafen sich ihre zentralen Schwarzen Löcher und bildeten ein binäres System, wobei sich zwei Schwarze Löcher umkreisten.

Begelman und seine Kollegen argumentierten, dass diese beiden massiven schwarzen Löcher, die herumschwingen, mit dem Meer der Sterne interagieren würden, in die sie eingetaucht waren. Hin und wieder hatte einer dieser Sterne eine enge Begegnung mit den binären und Gravitationskräften Schieben Sie den Stern aus der Mitte und lassen Sie die schwarzen Löcher noch fester gebunden.

Mit der Zeit würden mehr Sterne vom Zentrum weggeworfen. Allmählich breitete sich das Sternenlicht, das einst in der Mitte konzentriert war, in einem breiteren, diffusen Kern aus, mit einem kleinen Knick in der Mitte, in der die Schwarzloch-Binärdatei ihren Paarungstanz machte. Der Prozess wird als “Scheuern” bezeichnet.

“Sie waren dem Spiel weit voraus”, sagte Lauer über die drei Astronomen.

Ein knorriges Problem

Ein durchforsteter Kern war die Art von Situation, von der Lauer und Postman glaubten, sie hätten sie mit Abell 2261 erlebt. Doch statt eines Gipfels in der Mitte des Kerns gab es ein Gefälle, als ob das supermassereiche Schwarze Loch und die dazugehörigen Sterne einfach gewesen wären weggenommen.

Dies eröffnete die dramatischere Möglichkeit, dass sich das von Begelman und seinen Kollegen ins Auge gefasste Szenario abgespielt hatte: Die beiden Schwarzen Löcher hatten sich zu einem riesigen Schluck Nichts zusammengeschlossen. Die Fusion wäre von einem katastrophalen Ausbruch von Gravitationswellen begleitet gewesen, Raum-Zeit-Wellen, die Einstein 1916 vorhergesagt und schließlich ein Jahrhundert später, 2016, von den LIGO-Instrumenten gesehen hatte.

Wenn dieser Ausbruch schief gewesen wäre, hätte er das resultierende supermassereiche Schwarze Loch durch die Galaxie oder sogar aus dieser heraus fliegen lassen, was Astronomen nie beobachtet hatten. Das Auffinden des fehlerhaften Schwarzen Lochs war daher von größter Bedeutung.

Eine weitere Untersuchung von A2261-BCG ergab vier kleine Lichtknoten innerhalb des diffusen Kerns. Könnte einer von ihnen das Schwarze Loch beherbergen?

Ein Team unter der Leitung von Sarah Burke-Spolaor von der West Virginia University stieg mit Hubble und dem Radioteleskop Very Large Array in Socorro, New Mexico, in den Himmel. Spektroskopische Messungen von Hubble konnten feststellen, wie schnell sich die Sterne in den Knoten bewegten und ob daher ein massives Objekt erforderlich war, um sie zusammenzuhalten.

Zwei der Knoten, so schlussfolgerten sie, waren wahrscheinlich kleine Galaxien mit kleinen inneren Bewegungen, die von der großen Galaxie ausschlachten. Messungen des dritten Knotens hatten so große Fehlerbalken, dass er noch nicht als Position des Schwarzen Lochs ausgeschlossen oder ausgeschlossen werden konnte.

Der vierte, sehr kompakte Knoten nahe der Unterkante des Kerns war Hubble zu schwach, berichtete Burke-Spolaor. “Das Beobachten dieses Knotens hätte eine übermäßige Zeit (Hunderte von Stunden) für das Beobachten mit dem Hubble-Weltraumteleskop erforderlich gemacht”, sagte sie in einer E-Mail, und so bleibt es auch ein Kandidat für das Versteck.

Der Galaxienkern sendet auch Radiowellen aus, aber sie haben der Suche nicht geholfen, sagte Burke-Spolaor.

“Wir hatten ursprünglich gehofft, dass die Funkemission eine Art buchstäbliche Rauchpistole sein würde, die einen aktiven Jet zeigt, der direkt auf den Ort des Schwarzen Lochs zurückweist”, sagte sie. Aber das Radio-Relikt war nach seinen spektralen Eigenschaften mindestens 50 Millionen Jahre alt, was bedeutete, dass das große Schwarze Loch seit dem Ausschalten des Jets genügend Zeit gehabt hätte, sich an einen anderen Ort zu bewegen.

Die nächste Station war das umlaufende Chandra-Röntgenobservatorium der NASA. Kayhan Gultekin von der University of Michigan, ein weiterer Veteran Nuker, der nicht zum ursprünglichen Entdeckungsteam gehörte, richtete das Teleskop auf den Clusterkern und diese verdächtigen Knoten. Kein Würfel. Das mutmaßliche Schwarze Loch müsste sich mit einem Millionstel seiner potenziellen Rate ernähren, wenn es überhaupt dort wäre, sagte Gultekin.

“Entweder ist ein Schwarzes Loch in der Mitte sehr schwach oder es ist nicht da”, schrieb er in einer E-Mail. Gleiches gilt für den Fall eines binären Schwarzlochsystems, sagte er; es müsste sehr wenig Benzin essen, um verborgen zu bleiben.

In der Zwischenzeit hat Imran Nasim von der University of Surrey, der nicht zu Postmans Team gehörte, eine detaillierte Analyse veröffentlicht, wie die Fusion zweier supermassereicher Schwarzer Löcher die Galaxie in das verwandeln könnte, was die Astronomen gefunden haben.

“Der Rückstoß der Gravitationswelle” wirft “einfach das supermassereiche Schwarze Loch aus der Galaxie”, erklärte Nasim in einer E-Mail. Nachdem sie ihren supermassiven Anker verloren hat, breitet sich die Sternwolke um die Schwarzloch-Binärdatei aus und wird diffuser. Die Dichte der Sterne in dieser Region – dem dichtesten Teil der gesamten Riesengalaxie – beträgt nur ein Zehntel der Dichte der Sterne in unserer eigenen Nachbarschaft der Milchstraße, was zu einem Nachthimmel führt, der im Vergleich zu unserer eigenen anämisch erscheint.

All dies ist ein weiterer Grund, warum Astronomen gespannt auf den Start des James Webb-Weltraumteleskops warten, des lang erwarteten Nachfolgers von Hubble, der nun für Ende Oktober geplant ist. Dieses Teleskop kann alle vier Knoten gleichzeitig untersuchen und feststellen, ob es sich bei einem von ihnen um ein supermassereiches Schwarzes Loch handelt.

“Hier sehen Sie unsere große Raffinesse”, sagte Lauer. „Hey, vielleicht liegt es in den Knoten! Hey, vielleicht ist es nicht! Suche lieber alles! “

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