Zum ersten Mal wurde diese Art von Schwarzem Loch in der Milchstraße entdeckt?

Im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri verbirgt sich ein Schwarzes Loch mittlerer Masse. Foto: ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)

Was ist ein Schwarzes Loch? In der Astrophysik gilt er als kompakter Himmelskörper, dessen Schwerkraft so stark ist, dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann, wenn es seine Grenze überschreitet. Bei Beobachtungen in den letzten Jahrzehnten haben Astronomen zwei Arten von Schwarzen Löchern festgestellt: zum einen Schwarze Löcher mit Sternmasse, deren Masse zwischen dem 5- und 150-fachen der Sonnenmasse liegt. Diese schwarzen Löcher kommen sehr häufig vor; allein in der Milchstraße gibt es Hunderte Millionen davon. Bei den anderen handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher mit einer Masse zwischen Hunderttausenden und Milliarden Mal der Masse der Sonne, die sich im Zentrum von Galaxien befinden.

Astronomen vermuten seit langem, dass es zwischen diesen beiden Typen Schwarzer Löcher noch Schwarze Löcher mittlerer Masse geben müsste. Allerdings hat sich die Suche nach solchen Schwarzen Löchern als äußerst schwierig erwiesen und in der Vergangenheit wurden nur wenige Kandidaten für Schwarze Löcher mittlerer Masse entdeckt, die jedoch weiterhin umstritten sind. Am 10. Juli 2024 gaben Astronomen in einer in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie bekannt, dass sie schlüssige Beweise für die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri gefunden hätten.

Warum ist es so schwierig, Schwarze Löcher mittlerer Masse zu finden?

Zunächst müssen wir wissen, dass Schwarze Löcher selbst kein Licht aussenden und wir sie daher nicht direkt sehen können. Doch Astronomen haben mehrere Möglichkeiten gefunden, ihre Anwesenheit indirekt zu beobachten:

Die erste Methode besteht darin, das von der Materie um das Schwarze Loch ausgesandte Licht zu erfassen: Im Universum gibt es viele Doppelsternsysteme, die aus Schwarzen Löchern und Sternen bestehen. Wenn sie nahe genug sind, zieht die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs das Gas zum Stern. Diese Gase fallen nicht alle direkt in das Schwarze Loch, sondern bilden eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. Während das Gas in der Akkretionsscheibe nach innen wirbelt, erhitzt es sich und sendet nachweisbare Röntgenstrahlen aus.

Die zweite Methode besteht darin, Gravitationswellen einzufangen: Wenn sich zwei Schwarze Löcher einander nähern und verschmelzen, wird ein Teil ihrer Masse in Gravitationswellen umgewandelt und nach außen gestrahlt. Durch die Analyse der empfangenen Gravitationswellensignale kann auf die Masse des Schwarzen Lochs vor der Verschmelzung geschlossen werden.

Die dritte Methode besteht darin, Sterne zu verfolgen: Da die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs sehr stark ist, beeinflusst sie die Flugbahn nahegelegener Sterne erheblich. Wenn wir Sterne mit seltsamem Verhalten beobachten könnten, die einen unsichtbaren Punkt umkreisen, wäre es höchstwahrscheinlich ein Schwarzes Loch. Mit dieser Methode stellten Astronomen fest, dass sich im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von mehr als 4 Millionen Sonnenmassen befindet.

Die vierte Methode ist die Fotografie: Wissenschaftler können das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie abbilden, indem sie über die ganze Welt verteilte Radioteleskope miteinander verbinden. Wir werden wie vorhergesagt eine helle Ringstruktur sehen, die einen dunklen zentralen Bereich umgibt.

Theoretisch eignen sich alle diese Methoden zur Suche nach Schwarzen Löchern mittlerer Masse. Bei tatsächlichen Beobachtungen treten jedoch Probleme auf. Beispielsweise ist das Zentrum eines Kugelsternhaufens der wahrscheinlichste Ort, an dem sich solche Schwarzen Löcher verbergen. Da die Materiedichte der meisten Sternhaufen jedoch nicht sehr hoch ist, können die Schwarzen Löcher nicht mit Gas interagieren und senden daher keine leicht erkennbaren Röntgensignale aus. Beispielsweise wird die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mittlerer Masse ein Gravitationswellensignal mit niedriger Frequenz aussenden, doch die derzeitigen Gravitationswellendetektoren reagieren nicht empfindlich auf Gravitationswellen mit niedriger Frequenz.

In dieser Studie konzentrierten sich die Astronomen bei der Sternenverfolgung auf den Kugelsternhaufen Omega Centauri, der 17.000 Lichtjahre von uns entfernt ist.

Omega Centauri enthält etwa 10 Millionen Sterne und ist der größte bekannte Kugelsternhaufen in der Milchstraße. Astronomen gehen allgemein davon aus, dass es sich um den Kern einer alten Zwerggalaxie handelt, die von der Milchstraße verschluckt wurde. Beim Verschlucken verlor die Zwerggalaxie alle Sterne außer denen in ihrem Kern. Das Schwarze Loch im Zentrum wäre zudem „in der Zeit eingefroren“, das heißt, es hätte keine Möglichkeit, weiter zu wachsen und würde dieselbe Größe behalten wie damals, als Omega Centauri von der Milchstraße absorbiert wurde. Um diese Hypothese zu überprüfen, ist es notwendig, das Schwarze Loch im Zentrum von Omega Centauri zu entdecken.

In der neuesten Studie stellten die Forscher fest, dass es ein schlagender Beweis wäre, wenn es ihnen gelänge, die erwarteten schnell bewegten Sterne um das zentrale Schwarze Loch des Kugelsternhaufens Omega Centauri zu identifizieren. Allerdings ist die Erstellung eines umfassenden Katalogs der Sternbewegungen keine leichte Aufgabe. Die Forscher maßen die Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen innerhalb des Haufens, indem sie mehr als 500 Bilder des Kugelsternhaufens Omega Centauri untersuchten, die vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Schließlich hatten sie das Glück, in einem kleinen Bereich im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri sieben Sterne zu entdecken, die sich mit einer Geschwindigkeit bewegten, die höher war als die Fluchtgeschwindigkeit von Omega Centauri. Ohne die zusätzliche Gravitationskraft des zentralen Schwarzen Lochs hätten diese Sterne aus dem Zentrum des Haufens entkommen müssen.

Durch die zuverlässigsten Messungen der fünf am schnellsten bewegten Sterne berechneten die Forscher, dass sich dort ein Schwarzes Loch mit einer Masse von mindestens 8.200 Sonnenmassen befinden müsste. Genau das ist ein Schwarzes Loch mittlerer Masse.

Im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri verbirgt sich ein Schwarzes Loch mittlerer Masse. Foto: ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)

Natürlich haben einige Leute dies in Frage gestellt, da sie der Meinung waren, dass es sich dort eher um eine Gruppe viel kleinerer Schwarzer Löcher handeln müsse als um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse. Diese Skepsis unterstreicht die Komplexität und Herausforderungen der Untersuchung dichter Sternumgebungen. Daher werden in Zukunft weitere Beobachtungen nötig sein, um zu beweisen, ob sich im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri tatsächlich ein Schwarzes Loch mittlerer Masse befindet.

Warum also nach diesen schwarzen Löchern suchen? Die gerade erwähnten stellaren Schwarzen Löcher sind im Universum allgegenwärtig. Diese Schwarzen Löcher entstehen normalerweise, wenn massereiche Sterne ihren gesamten Brennstoff verbrauchen und ihre Kerne schließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft kollabieren. Natürlich entstehen nicht alle stellaren Schwarzen Löcher auf diese Weise. Einige Sterne mit sehr großer Masse kollabieren direkt und wandeln ihre gesamte Masse in Schwarze Löcher um. Einige Schwarze Löcher sind das Endprodukt der Fusion zweier Neutronensterne. Was die Astronomen jedoch nicht bestätigen konnten, ist, wie die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien entstehen.

Dem aktuellen Bild der Galaxienentwicklung zufolge hätten die frühesten Galaxien mittelgroße schwarze Löcher im Zentrum gehabt. Im Laufe der Entwicklung dieser Galaxien würden diese schwarzen Löcher mit der Zeit wachsen und kleinere Galaxien in ihrer Umgebung verschlucken (wie es die Milchstraße getan hat) oder mit größeren Galaxien verschmelzen. Das heißt, dass Schwarze Löcher mittlerer Masse die ersten Keime für das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher sein können. Daher ist zu erwarten, dass die Entdeckung Schwarzer Löcher mittlerer Masse zur Lösung des Rätsels um die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher beitragen wird.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Prinzip

Gutachter: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.