Astronomen haben in den meisten massereichen Galaxien im lokalen Universum, einschließlich unserer Milchstraße, supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen entdeckt, die das Millionen- oder Milliardenfache der Sonnenmasse betragen. Webbs neue Beobachtungen lieferten Beweise für die anhaltende Verschmelzung zweier Galaxien und ihrer massiven Schwarzen Löcher, als das Universum gerade einmal 740 Millionen Jahre alt war. Das System ist als ZS7 bekannt. Es wird erwartet, dass sich die meisten binären Schwarzen Löcher auf sogenannten „quasi-kreisförmigen“ Umlaufbahnen befinden. Es wird angenommen, dass eines Tages riesige Schwarze Löcher entstanden sind, als zwei kleinere Schwarze Löcher kollidierten und verschmolzen. Und jetzt fragen sich Wissenschaftler, ob wir den Stammbaum des Schwarzen Lochs herausfinden können, indem wir über Generationen hinweg rückwärts arbeiten.
Webb entdeckte die bisher am weitesten entfernte Verschmelzung von Schwarzen Löchern.
Astronomen haben in den meisten massereichen Galaxien im lokalen Universum, einschließlich unserer Milchstraße, supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen entdeckt, die das Millionen- oder Milliardenfache der Sonnenmasse betragen. Diese Schwarzen Löcher hatten wahrscheinlich einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Galaxien, in denen sie leben. Wissenschaftler verstehen jedoch immer noch nicht vollständig, wie diese Objekte wuchsen und so massiv wurden. Die Entdeckung riesiger Schwarzer Löcher, die bereits innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten, deutet darauf hin, dass dieses Wachstum sehr schnell und sehr früh stattgefunden haben muss. Jetzt wirft das James-Webb-Weltraumteleskop neues Licht auf das Wachstum von Schwarzen Löchern im frühen Universum.
Webbs neue Beobachtungen lieferten Beweise für die anhaltende Verschmelzung zweier Galaxien und ihrer massiven Schwarzen Löcher, als das Universum gerade einmal 740 Millionen Jahre alt war. Das System ist als ZS7 bekannt.
Massive Schwarze Löcher, die aktiv Materie ansammeln, weisen charakteristische spektrografische Merkmale auf, die es Astronomen ermöglichen, sie zu identifizieren. Bei sehr weit entfernten Galaxien, wie denen in dieser Studie, sind diese Signaturen von der Erde aus nicht zugänglich und können nur mit Webb gesehen werden.
Position von ZS7 im PRIMER-Bild. NIRcam
„Wir fanden Hinweise auf sehr dichtes Gas mit schnellen Bewegungen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs sowie auf heißes und stark ionisiertes Gas, das durch die energiereiche Strahlung beleuchtet wird, die Schwarze Löcher typischerweise während Akkretionsepisoden erzeugen“, erklärte Hauptautorin Hannah Uebler vom Universität Cambridge im Vereinigten Königreich. „Mit der beispiellosen Klarheit seiner Bildgebungsfähigkeiten ermöglichte Webb unserem Team auch, die beiden Schwarzen Löcher räumlich zu trennen.“.
Das Team fand heraus, dass eines der beiden Schwarzen Löcher eine Masse von 50 Millionen Sonnenmassen hatte. „Die Masse des anderen Schwarzen Lochs ist wahrscheinlich ähnlich, obwohl sie viel schwieriger zu messen ist, da dieses zweite Schwarze Loch von dichtem Gas bedeckt ist“, erklärte Teammitglied Roberto Maiolino von der University of Cambridge und dem University College London im Vereinigten Königreich .
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Verschmelzungen ein wichtiger Weg sind, durch den Schwarze Löcher selbst in der kosmischen Morgendämmerung schnell wachsen können“, erklärte Hanna. „Zusammen mit Webbs anderen Entdeckungen über aktive, massereiche Schwarze Löcher im fernen Universum zeigen unsere Ergebnisse auch, dass massereiche Schwarze Löcher die Entwicklung von Galaxien von Anfang an geprägt haben.“
Umgebung ZS7. NIRcam
Das Team stellt fest, dass nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher auch diese beginnen, Gravitationswellen zu erzeugen. Ähnliche Ereignisse könnten von der nächsten Generation von Gravitationswellenobservatorien entdeckt werden, beispielsweise von der bevorstehenden Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-Mission, die kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation genehmigt wurde und das erste Weltraumobservatorium sein wird, das sich der Untersuchung von Gravitationswellen widmet.
„Die Ergebnisse von Webb sagen uns, dass die von LISA entdeckten leichteren Systeme viel häufiger vorkommen sollten als bisher angenommen“, sagte Nora Lutzgendorff, leitende Wissenschaftlerin des LISA-Projekts von der Europäischen Weltraumorganisation in den Niederlanden. „Dies wird uns wahrscheinlich dazu zwingen, unsere Modelle an die LISA-Leistung in diesem Massenbereich anzupassen. Das ist nur die Spitze des Eisbergs.“
Diese Entdeckung wurde im Rahmen von Beobachtungen gemacht, die im Rahmen des Galaxy Assembly with NIRSpec Integral Field Spectroscopy-Programms durchgeführt wurden. Das Team erhielt kürzlich ein neues großes Programm im 3. Webb-Beobachtungszyklus, um die Beziehung zwischen massiven Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien während der ersten Milliarde Jahre im Detail zu untersuchen. Ein wichtiger Bestandteil dieses Programms wird die systematische Suche und Charakterisierung von Verschmelzungen Schwarzer Löcher sein. Diese Bemühungen werden die Geschwindigkeit bestimmen, mit der Verschmelzungen von Schwarzen Löchern in frühen kosmischen Epochen auftreten, und die Rolle von Verschmelzungen beim frühen Wachstum von Schwarzen Löchern sowie die Geschwindigkeit bewerten, mit der seit Anbeginn der Zeit Gravitationswellen erzeugt wurden.
Einige binäre Schwarze Löcher können einander auf eiförmigen Bahnen umkreisen. Die mithilfe von Gravitationswellen nachgewiesene Exzentrizität der Umlaufbahnen dieser Schwarzen Löcher könnte Aufschluss über ihre Entstehungsgeschichte geben.
Mithilfe von Gravitationswellenmessungen des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den Vereinigten Staaten und der Virgo- und KAGRA-Detektoren in Italien bzw. Japan entdeckten Wissenschaftler, dass die Umlaufbahnen einiger binärer Schwarzer Löcher möglicherweise eiförmig sind in Form und zeigen merkwürdiges Zögern. Die Entdeckung dieser ovalen Umlaufbahnen in binären Schwarzen-Loch-Systemen könnte Forschern dabei helfen, herauszufinden, wie jedes dieser Systeme entstanden ist.
„Wir haben herausgefunden, dass sich die meisten binären Schwarzen Löcher voraussichtlich auf sogenannten ‚quasi-kreisförmigen‘ Umlaufbahnen befinden. „‚Quasi‘ bedeutet einfach, dass der Abstand von Schwarzen Löchern mit der Zeit aufgrund der Emission von Gravitationswellen abnimmt“, sagte der leitende Studienautor Nihar Gupte vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland und der University of Maryland.
Diagramm, das zeigt, wie ein häufiges Shell-Ereignis auftritt. M1 ist ein Stern, der zu einem Roten Zwerg wird und sich aufbläht, um das Schwarze Loch (M2) mit Gas (rot) zu umgeben. Duran D’Souza
„Unsere Studie legt nahe, dass sich einige der beobachteten binären Schwarzen Löcher auf ‚exzentrischen‘ Umlaufbahnen befinden könnten“, fügte Gupte hinzu. „Das bedeutet, dass die Umlaufbahnen von Schwarzen Löchern oval oder ‚eiförmig‘ sind.“
Das Team entdeckte auch, dass sich die Spitze dieser eiförmigen ovalen Umlaufbahn drehen kann, wenn die Schwarzen Löcher einander umkreisen, sagte der Forscher.
„Wir haben auch herausgefunden, dass die Massen der Schwarzen Löcher überschätzt werden, wenn wir diese Ereignisse mit einem nicht-exzentrischen Modell analysieren“, fügte Gupte hinzu.
Gupte und seine Kollegen untersuchten 57 Paare binärer Schwarzer Löcher, die von der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration mithilfe von Gravitationswellen entdeckt wurden. Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die erstmals von Albert Einstein in seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 vorhergesagt wurden.
Diagramm, das zwei mögliche Mechanismen für die Bildung eines binären Schwarzen Lochs zeigt, zwischen denen man wählen kann, indem man die Exzentrizität dieser Konfigurationen untersucht. Nihar Gupte
Die Allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit Masse eine Krümmung im eigentlichen Gefüge von Raum und Zeit erzeugen und zu einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ kombiniert werden. Aus dieser Krümmung entsteht die Schwerkraft, die mit zunehmender Masse der Objekte immer extremer wird. Aus diesem Grund haben Sterne einen größeren gravitativen Einfluss als Planeten und Galaxien einen größeren gravitativen Einfluss als Sterne.
Einstein sagte in dieser revolutionären Gravitationstheorie auch voraus, dass Objekte, wenn sie beschleunigt werden, winzige Wellen aussenden, die durch die Raumzeit strahlen – Gravitationswellen. Diese Wellen sind jedoch unbedeutend, bis die Region superdichter Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher erreicht wird.
Da binäre Neutronensterne oder Schwarze Löcher einander umkreisen, senden sie ständig Gravitationswellen aus, die Energie in Form von Drehimpulsen aus dem System transportieren. Der Verlust des Drehimpulses führt dazu, dass sich die Umlaufbahnen dieser Körper zusammenziehen und sie näher zusammenrücken, bis ihr Gravitationseinfluss die Oberhand gewinnt. Schließlich kollidieren sie und verschmelzen.
Einstein glaubte, dass selbst diese Gravitationswellen zu schwach wären, um auf der Erde nachgewiesen zu werden. Glücklicherweise bewies LIGO im September 2015, dass der große Wissenschaftler falsch lag, indem es GW150914 entdeckte, ein Gravitationswellensignal aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in mehr als 1 Milliarde Lichtjahren Entfernung.
Da die Zahl der Nachweise von Gravitationswellen weiter zunimmt, lernen Wissenschaftler wie Gupta, sie zu nutzen, um Details über die Objekte aufzudecken, die sie erzeugen, wie diese neue Studie zeigt.
Eine Illustration von zwei Schwarzen Löchern, die wie eine Glocke mit Gravitationswellen durch die Raumzeit klingeln. ESA–C.Carreau
Gupta erklärte, dass die Verwendung von Gravitationswellen zum Verständnis der Umlaufbahnen binärer Schwarzer Löcher der Art und Weise ähnelt, wie Paläontologen Knochen untersuchen, um zu rekonstruieren, wie Dinosaurier gelebt haben könnten. Auf diese Weise können Physiker die Eigenschaften verschmelzender binärer Schwarzer Löcher untersuchen, um zu verstehen, wie binäre Schwarze Löcher überhaupt zusammenkommen.
Dies kann auf zwei verschiedene Arten geschehen. Dynamische Wechselwirkungen treten auf, wenn ein binäres Schwarzes Loch mit einem anderen Schwarzen Loch oder sogar einem anderen binären Schwarzen Lochsystem kollidiert und mit ihm interagiert.
Andererseits können Doppelsterne isoliert werden und einfacher entstehen: aus zwei Sternen, die sich bereits umkreisen und zu Schwarzen Löchern werden, oder aus einem Schwarzen Loch, das einem anderen zu nahe kommt und einen Doppelstern bildet, bevor sie kollidieren und verschmelzen.
„Die Schlüsselidee ist, dass, wenn wir einen Doppelstern mit Exzentrizität beobachten, dies wahrscheinlich das Ergebnis einer dynamischen Wechselwirkung ist“, sagte Gupta. „Diese chaotischen Wechselwirkungen können den Doppelstern aufbrechen und die darin enthaltenen Schwarzen Löcher aus ihren Wirtsgalaxien und Galaxienhaufen herausschleudern. Aber manchmal können sie auch den Abstand zwischen zwei Schwarzen Löchern verkürzen, was zu einer Exzentrizität führt und dazu führt, dass sie in kurzer Zeit verschmelzen.“
Neben der Nutzung der Exzentrizität der Umlaufbahn zur Untersuchung binärer Schwarzer Löcher sind der Wissenschaftler und sein Team auch daran interessiert, zu untersuchen, wie sich die ovale Natur der Umlaufbahnen auf die Emission von Gravitationswellen durch diese Systeme auswirkt.
Illustration binärer Schwarzer Löcher mit eiförmigen Umlaufbahnen. Nihar Gupte
„Exzentrizität bedeutet, dass die Schwarzen Löcher an einigen Punkten der Umlaufbahn näher beieinander liegen“, erklärte Gupta. „Wenn Schwarze Löcher näher beieinander liegen, haben sie eine größere Beschleunigung, was bedeutet, dass sie mehr Gravitationswellen aussenden. Sind sie hingegen weit entfernt, haben sie eine geringere Beschleunigung, was bedeutet, dass sie weniger Gravitationswellen aussenden.“
„Was man also am Ende sieht, sind kleine Spitzen in der Amplitude der Wellenform des gesamten Gravitationswellenmusters, die dadurch verursacht werden, dass Schwarze Löcher sich einander annähern und weiter entfernen!“
Die Natur und Geschichte binärer Schwarzer Löcher wäre ohne den Einsatz von Gravitationswellen unglaublich schwer zu bestimmen. Eine alternative Methode zum Verständnis des Ursprungs binärer Schwarzer Löcher besteht darin, mithilfe der Standardlichtastronomie nach sogenannten „Common Envelope“-Ereignissen zu suchen.
Diese Ereignisse beginnen damit, dass ein Stern und ein Schwarzes Loch einander umkreisen und dieser Stern zu einem Roten Riesen wird. Die äußeren Schichten des aufgeblähten Sterns bilden eine gemeinsame Hülle um die beiden Bewohner des Doppelsterns und erzeugen Reibung zwischen dem Schwarzen Loch und dem Stern. Dadurch wird die Umlaufbahn des Doppelsterns komprimiert, und schließlich, nachdem der Rote Riese zu einem Schwarzen Loch geworden ist, kommt es zu einer Verschmelzung von Doppelsternen mit Schwarzen Löchern.
„Das Problem besteht darin, dass es schwierig ist, diesen kritischen Zeitraum mithilfe elektromagnetischer Beobachtungen zu beobachten. „Das liegt daran, dass massereiche Sterne selten und kurzlebig sind, sodass die kritischen Entwicklungsphasen der Verschmelzung kompakter Objekte einen kleinen Teil dieser Systeme einnehmen“, sagte Gupta. „Andererseits können wir durch die Untersuchung von Gravitationswellen die letzten Momente einer binären Verschmelzung verstehen. Dies könnte es uns ermöglichen, die Geschichte der Fusion zurückzuverfolgen und Hypothesen darüber aufzustellen, was sie geprägt haben könnte.“
Er fügte hinzu, dass Gravitationswellen in dieser Hinsicht besonders nützlich seien, da sie eine „extrem saubere Sonde“ für entfernte Ereignisse seien. Dies bezieht sich auf die Tatsache, dass diese Wellen in der Raumzeit große Entfernungen zurücklegen können, ohne dass sie durch etwas gestört werden, das sich zwischen dem Doppelstern und der Erde befindet.
„Obwohl wir nicht behaupten, dass dies ein definitiver Nachweis exzentrischer binärer Schwarzer Löcher ist, deuten diese Ergebnisse auf eine Exzentrizität in der bestehenden Population hin“, sagte Gupte. „Dies ist eine wichtige Überlegung für den aktuellen Beobachtungszyklus des bodengestützten Gravitationswellendetektors sowie für zukünftige bodengestützte und weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren.“
„Derzeit verfügen wir nicht über genügend Daten, um den Ursprung binärer Schwarzer Löcher definitiv zu bestimmen. Wenn wir jedoch in Zukunft mehr exzentrische binäre Schwarze Löcher beobachten, können wir damit beginnen, Beschränkungen für die Mechanismen festzulegen, die diese Systeme bilden.“
Schwarze Löcher sind monströse und monolithische Regionen von Raum und Zeit, die die Fantasie der Menschheit beflügelt haben. Einige entstehen durch den Tod und Zusammenbruch eines massereichen Sterns – aber kein Stern kann die kolossalsten Schwarzen Löcher hervorbringen. Dabei handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher, die im Herzen von Galaxien lauern, deren Massen Millionen oder sogar Milliarden Sonnen entsprechen.
Es wird angenommen, dass riesige Schwarze Löcher wie diese entstanden sind, als zwei kleinere Schwarze Löcher eines Tages kollidierten und verschmolzen. Und jetzt fragen sich Wissenschaftler, ob wir den Stammbaum des Schwarzen Lochs herausfinden können, indem wir über Generationen hinweg rückwärts arbeiten.
Wenn es ein kosmologisches Objekt oder Ereignis gibt, das geheimnisvoll sein soll, dann ist es ein Schwarzes Loch. Dieser Raumbereich wird durch eine Grenze markiert, die als Ereignishorizont bezeichnet wird, die Barriere zwischen unserem Universum und allem, was sich in der Leere selbst befindet. Aufgrund dieser Barriere ist es daher unmöglich, ein Signal und damit Informationen zu empfangen.
Darüber hinaus weisen Schwarze Löcher nur sehr wenige charakteristische Merkmale auf, die der theoretische Physiker John Wheeler einmal mit den Worten beschrieb: „Schwarze Löcher haben keine Haare.“ Das bedeutet, dass „haarlose“ supermassive Schwarze Löcher im Gegensatz zur Betrachtung der Haarfarbe oder des Teints eines Kindes und der groben Schätzung der Haarfarbe oder des Fettleibigkeitsgrads seiner Eltern keine Hinweise auf ihre Herkunft zu geben scheinen – oder doch?
Imre Bartos ist ein Physiker an der University of Florida, der die Theorie aufstellt, dass die begrenzten Eigenschaften supermassereicher Schwarzer Löcher – Masse, Spin und elektrische Ladung – möglicherweise Details des ursprünglichen Fließbandes der Schwarzen Löcher verbergen, an dem sie entstanden sind.
Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, Sgr A*, wurde zum ersten Mal in polarisiertem Licht gesehen. EHT-Zusammenarbeit
Das Standardbild der Geburt von Schwarzen Löchern, das den Tod und Zusammenbruch massereicher Sterne beinhaltet, könne die Entstehung der riesigen Schwarzen Löcher, die wir heute sehen, nicht erklären, sagt er. Dazu gehören sowohl supermassive Schwarze Löcher als auch relativ kleinere Schwarze Löcher mittlerer Masse mit Massen um 100–100.000 Sonnenmassen.
Sterne haben eine Grenze, wie groß sie werden können, ohne in sich zusammenzubrechen. Wenn ein Stern sehr groß wird, explodiert er, bevor er den dichten Kern bilden kann, der den Embryo eines Schwarzen Lochs bilden kann. Wie schwer können Schwarze Löcher sein, wenn sie durch den Tod von Sternen entstehen? Diese Masse beträgt etwa das 50-fache der Masse unserer Sonne. Es ist also eine ziemlich große Masse, aber bei weitem nicht so groß wie die Masse, die wir für supermassive oder mittelschwere Schwarze Löcher sehen.
Das bedeutet, dass es einen anderen Prozess geben muss, der die monströsesten Schwarzen Löcher erzeugt, und Beobachtungen winziger Störungen in der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, legen nahe, dass es sich bei einem solchen Prozess um aufeinanderfolgende Kollisionen und Verschmelzungen immer größerer Generationen von Schwarzen Löchern handeln könnte.
Zu verstehen, warum Schwarze Löcher näher zusammenrücken und verschmelzen, ist der Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung des Universums und kann sogar dabei helfen, den Gesetzen der fundamentalen Physik auf den Grund zu gehen.
Durch die Betrachtung der Masse eines supermassereichen Schwarzen Lochs und der Gravitationswellen der Verschmelzung, durch die es entstanden ist, können Forscher die Massen der Schwarzen Löcher abschätzen, die zur Entstehung des Schwarzen Lochs verschmolzen sein müssen. Darüber hinaus schlagen Bartos und seine Kollegen vor, dass die Beobachtung, wie schnell sich ein Schwarzes Loch dreht, auch Aufschluss darüber geben könnte, wie schnell sich die übergeordneten Schwarzen Löcher drehten, die es erzeugt haben.
Die Untersuchung elektromagnetischer Signale aus der Region, in der diese Verschmelzungen stattfanden, kann Aufschluss darüber geben, wie sie mit ihrer Umgebung interagierten. Haben sich Schwarze Löcher beispielsweise von Gas und Staub aus ihrer Umgebung ernährt, um ihr eigenes Wachstum voranzutreiben?
Wenn zwei supermassive Schwarze Löcher sich spiralförmig umeinander drehen und verschmelzen, erzeugen sie Gravitationswellen. Mit genügend Energie können sie sich von ihrem Ausgangspunkt oder sogar ganz aus ihrer Heimatgalaxie „werfen“. NASA
Schwarze Löcher mit bis zu 50-facher Sonnenmasse finden sich in Regionen mit vielen anderen Schwarzen Löchern. Das bedeutet, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, genau wie wir Eltern und Großeltern haben, wahrscheinlich keine einmaligen Ereignisse sind und die meisten massereichen Schwarzen Löcher aus wiederholten Generationen von Verschmelzungen entstehen.
Diese Generationensituation wird nicht nur zur Anhäufung von Masse führen, sondern nachfolgende Tochter-Schwarze Löcher werden auch Drehimpuls von ihren Vorfahren sammeln. Wenn Schwarze Löcher immer größer werden, sollten sie sich auch immer schneller drehen.
Wenn wir einen höheren Spin feststellen, könnte dies ein Zeichen dafür sein, dass es möglicherweise frühere Fusionen gegeben hat. Es stellt sich heraus, dass wir bei einigen der schwereren Schwarzen Löcher, die wir bisher gesehen haben, Anzeichen für den hohen Spin erkennen, den wir von diesen aufeinanderfolgenden Verschmelzungen erwarten würden. Aber wir können frühere Verschmelzungen nicht einfach durch die Beobachtung von Gravitationswellen erkennen. Dazu müssten wir die Detektoren Millionen von Jahren betreiben, was unwahrscheinlich ist.
Es wird angenommen, dass die Verschmelzungskette, die ein supermassereiches Schwarzes Loch erzeugen würde, mindestens eine Milliarde Jahre dauern wird, doch diese kosmischen Titanen werden im Universum nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet. Diese Beobachtungen stammen mit freundlicher Genehmigung des James Webb Space Telescope (JWST). Dies hinterlässt ein Problem. Wissenschaftler müssen noch vollständig erklären, wie diese kosmischen Titanen so groß und so schnell wurden. Möglicherweise liegen die Hinweise jedoch im Mechanismus der Vorfahren selbst.
Mit zunehmender Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren wird die Menschheit beginnen, diese Wellen in Raum und Zeit von weiter entfernten und damit früheren Verschmelzungen von Schwarzen Löchern zu bemerken. Das bedeutet, dass wir immer mehr darüber erfahren müssen, wie Schwarze Löcher im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre kosmischen Geschichte entstanden sind.
Mysteriöse Fehlfunktionen eines supermassiven Schwarzen Lochs werden wahrscheinlich durch „Einschläge“ eines nahegelegenen Schwarzen Lochs verursacht. Ein hüpfendes supermassereiches Schwarzes Loch hat Astronomen auf eine völlig neue Art des Verhaltens eines Schwarzen Lochs aufmerksam gemacht, berichtet die Zeitschrift Science Advances.
Im Jahr 2020 explodierte plötzlich ein zuvor ruhiges Schwarzes Loch im Zentrum einer etwa 800 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernten Galaxie mit einer Masse, die der von 50 Millionen Sonnen entspricht, und hellte die Materie um den Faktor 1.000 auf.
Das Team geht davon aus, dass diese periodischen Eruptionen dadurch verursacht werden, dass ein zweites, kleineres Schwarzes Loch auf eine Scheibe aus Gas und Staub oder „Akkretionsscheibe“ prallt, die das supermassereiche Schwarze Loch umgibt, wodurch es wiederholt Materie „ausstößt“.
Die Ergebnisse der Studie stellen das allgemein akzeptierte Bild der Funktionsweise von Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher in Frage. Bisher glaubten Wissenschaftler, dass es sich dabei um homogene Scheiben aus Gas und Staub handelte, die um ein zentrales Schwarzes Loch rotierten. Die neuen Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass einige Akkretionsscheiben exotische Komponenten wie Sterne und noch kleinere sekundäre Schwarze Löcher enthalten könnten.
„Es ist ein anderes Tier. Es stimmt mit nichts überein, was wir über diese Systeme wissen. „Wir dachten, wir wüssten viel über Schwarze Löcher, aber das zeigt uns, dass sie zu viel mehr fähig sind“, sagte Forschungsteammitglied Dheeraj „DJ“ Pasham, Wissenschaftler am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT, in einer Erklärung.
Das Team erfuhr zunächst von diesem schwankenden Schwarzen Loch, als es Daten des Automated All-Sky Survey for Supernovae (ASAS-SN) untersuchte, einem Netzwerk von 20 Teleskopen auf der ganzen Welt, die einmal täglich den gesamten Himmel über der Erde scannen.
Die Abbildung zeigt die Folgen eines Schwarzen Lochs, das durch eine Gezeitenstörung auseinanderreißt und einen Stern verschlingt. NASA Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Als ASAS-SN im Dezember 2020 automatisch den Himmel scannte, sahen Roboterteleskope einen Lichtblitz in einem zuvor ruhigen Himmelsfleck, der eine etwa 800 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie enthielt. Pasham verfolgte diesen Flare mit dem Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), dem Röntgenteleskop der NASA auf der Internationalen Raumstation (ISS).
Pasham hatte wenig Zeit, das ISS-Teleskop zu nutzen, mit dem der Weltraum nach Röntgenausbrüchen von Neutronensternen, Schwarzen Löchern und anderen extremen Gravitationsphänomenen abgesucht wird, was bedeutete, dass er schnell handeln und auf Glück hoffen musste.
«Entweder nutzen oder verlieren, und das war mein größter Erfolg», — сказал Пашам.
Der Forscher sah, dass diese Galaxie weiter aufflammte und dieser Ausbruch etwa vier Monate anhielt. Bei den NICER-Beobachtungen dieses Flares bemerkte Pasham alle 8,5 Tage ein merkwürdiges Muster subtiler Einbrüche in der Röntgenstrahlung und der Flare-Energie. Das Signal ähnelte fast einem Lichtabfall, der auftritt, wenn ein Exoplanet die Oberfläche seines Sterns kreuzt oder „vorbeizieht“ und so dessen Sternenlicht kurzzeitig blockiert.
„Ich habe mir den Kopf darüber zerbrochen, was das bedeutet, weil dieses Muster mit nichts übereinstimmt, was wir über diese Systeme wissen“, fügte Pasham hinzu.
Paschamps Verwirrung wurde beseitigt, als er Forschungsergebnisse entdeckte, die darauf hindeuteten, dass das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie von einem Schwarzen Loch mittlerer Masse umkreist werden könnte – einem Schwarzen Loch mit einer Masse zwischen 100 und 10.000 Sonnenmassen.
Ein zweites Schwarzes Loch durchbricht die Akkretionsscheibe seines supermassereichen Begleiters und verursacht kosmische „Situationen“. Jose-Luis Olivares, Massachusetts Institute of Technology
Dieses kleinere Schwarze Loch könnte sein größeres Gegenstück so umkreisen, dass es sich in die Akkretionsscheibe des supermassiven Schwarzen Lochs hinein und aus dieser heraus bewegt. Wenn das kleinere Schwarze Loch dieses Gas und diesen Staub durchbricht, spuckt es eine Gaswolke aus. Bei jedem Tauchgang würde eine weitere Wolke entstehen, daher das periodische Muster dieses „Schluckaufs“.
Wenn diese Wolken auf die Erde gerichtet sind, könnten sie als plötzlicher Energieabfall im betroffenen System beobachtet werden, wenn das Licht der Akkretionsscheibe periodisch verfinstert wird, ähnlich wie das Licht von Sternen von einem vorbeiziehenden Exoplaneten verfinstert wird.
„Ich war von dieser Theorie sehr begeistert und habe ihnen sofort eine E-Mail geschickt und gesagt: ‚Ich denke, wir sehen genau das, was Ihre Theorie vorhersagt‘“, fügte Paschamp hinzu.
Dies veranlasste die Autoren der ursprünglichen Studie, Simulationen unter Einbeziehung von NICER-Daten zu erstellen. Sie bestätigten, dass das beobachtete 8,5-Tage-Signal wahrscheinlich das Ergebnis eines kleinen Schwarzen Lochs ist, das die Akkretionsscheibe seines größeren Begleiters, eines supermassereichen Schwarzen Lochs, durchbricht.
Allerdings erklärt dies immer noch nicht, warum das supermassive Schwarze Loch plötzlich explodierte – sondern nur, warum der Ausbruch regelmäßig schwächer wird. Das Team geht davon aus, dass dieses Schwarze Loch entstanden ist, weil ein Stern kürzlich seiner äußeren Grenze, dem „Ereignishorizont“, zu nahe gekommen ist.
Der enorme Gravitationseinfluss eines supermassiven Schwarzen Lochs erzeugt enorme Gezeitenkräfte bei sich nähernden Sternen, die sie vertikal ausdehnen und horizontal zusammendrücken – ein Prozess, der „Spaghettifizierung“ genannt wird. Dies würde dazu führen, dass der Stern durch Gezeitenstörungen auseinandergerissen würde, was zu einem starken Lichtblitz und einem plötzlichen Zustrom von Materie führen würde, die die Akkretionsscheibe aufhellen würde.
Im Fall der neu entdeckten Galaxie speiste das hinzugefügte Material offenbar das supermassive Schwarze Loch vier Monate lang, während die Explosion andauerte, und führte auch dazu, dass das kleinere sekundäre Schwarze Loch, als es in dieses Material eintauchte, eine größere Gaswolke in die Galaxie schleuderte Luft als gewöhnlich.
„Wir sehen Hinweise darauf, dass Objekte in verschiedenen Winkeln in die Scheibe eindringen und diese passieren, was das traditionelle Bild einer einfachen Gasscheibe um Schwarze Löcher in Frage stellt“, sagte Paschamp. „Wir glauben, dass es eine riesige Population solcher Systeme gibt.“
Richard Saxton ist ein Röntgenastronom am Europäischen Zentrum für Weltraumastronomie in Madrid, der nicht an der Studie beteiligt war. Er sagte, die neuen Ergebnisse und die zu ihrer Gewinnung verwendete Technik könnten Astronomen helfen, supermassereiche Schwarze Löcher und die exotischen Umgebungen, in denen sie leben, besser zu verstehen.
„Dieses Ergebnis zeigt, dass sehr nahe beieinander liegende supermassive Doppelsterne Schwarzer Löcher in galaktischen Kernen häufig vorkommen könnten, was einen sehr spannenden Fortschritt für zukünftige Gravitationswellendetektoren darstellt“, sagte Saxton in einer Erklärung. „Dies ist ein brillantes Beispiel dafür, wie man die Trümmer eines zerstörten Sterns nutzen kann, um das Innere des galaktischen Kerns zu beleuchten, der sonst dunkel bleiben würde. Es ist, als würde man mit einem fluoreszierenden Farbstoff ein Leck in einem Rohr finden.