Kommen Schwarze Löcher auch paarweise vor? Das schwerste supermassive Schwarze-Loch-Paar, das je entdeckt wurde!

Mithilfe von Archivdaten des Gemini-Nord-Teleskops haben amerikanische Astronomen das bislang schwerste bekannte Paar supermassereicher Schwarzer Löcher entdeckt, das 28 Milliarden Mal so viel wie die Masse der Sonne auf die Waage bringt . Diese Entdeckung wird den Wissenschaftlern helfen, ein seit langem ungelöstes Rätsel zu lösen: Warum kommt es im Universum so selten zur Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher? Der entsprechende Artikel wurde in der neuesten Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.

01 Das schwerste supermassive Schwarze-Loch-Paar

Das Forschungsteam analysierte ein Paar supermassiver Schwarzer Löcher in der elliptischen Galaxie B2 0402+379. Dies ist das einzige Paar supermassereicher Schwarzer Löcher, das ausreichend detailliert analysiert wurde, und die beiden Schwarzen Löcher sind nur 24 Lichtjahre voneinander entfernt. Die beiden Schwarzen Löcher liegen so nahe beieinander, dass es möglicherweise zu einer gewaltigen Verschmelzung kommen könnte. Doch weitere Untersuchungen zeigten, dass das Paar Schwarzer Löcher seit mehr als drei Milliarden Jahren in dieser Entfernung verharrt.

Roger Romani, Co-Autor der Studie und Physikprofessor an der Stanford University, sagte, um die Dynamik dieses Systems und die Gründe für die fehlende Verschmelzung besser zu verstehen, hätten sie Archivdaten des Gemini-Nord-Teleskops herangezogen, um die Geschwindigkeit von Sternen in der Nähe des Schwarzen Lochs zu bestimmen. Daraus hätten sie gefolgert, dass die Gesamtmasse des Schwarzen-Loch-Paares 28 Milliarden Mal so groß sei wie die der Sonne, was es zum schwersten Schwarzen-Loch-Paar mache, das bislang gemessen wurde.

Das Forscherteam erklärte, dass dieses Messergebnis nicht nur wertvolle Informationen für die Untersuchung der Entstehung binärer Schwarzer Lochsysteme und der Geschichte ihrer Wirtsgalaxien liefere, sondern auch eine seit langem bestehende Theorie unterstütze, wonach die Masse supermassiver Schwarzer Lochpaare der Schlüssel dazu sei, ihre Verschmelzung zu verhindern.

Normalerweise scheinen Galaxien mit Paaren leichter Schwarzer Löcher über genügend Sterne und Masse zu verfügen, um eine Verschmelzung der beiden zu ermöglichen. Dies war beispielsweise im Jahr 2015 der Fall, als Wissenschaftler mithilfe von Gravitationswellen die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Sternmasse entdeckten. Da die beiden Schwarzen Löcher jedoch so massereich sind, bräuchten sie für diese Aufgabe eine Menge Sterne und Gas. Da hierfür in der Galaxie B2 0402+379 nicht genügend Materie vorhanden ist, ist die Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher ins Stocken geraten.

Romani merkte an, dass noch zu klären sei, ob die beiden Schwarzen Löcher im Laufe von Millionen von Jahren verschmelzen könnten. Bei einer Verschmelzung wären die entstehenden Gravitationswellen 100 Millionen Mal stärker als bei einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Sternmasse.

02 Verschmelzung supermassiver Doppelsysteme Schwarzer Löcher

Tatsächlich haben Wissenschaftler supermassereiche Doppelsysteme Schwarzer Löcher entdeckt, die kurz vor der Verschmelzung stehen, und einige Kandidaten, die auf andere Weise entdeckt wurden (hauptsächlich durch Ausnutzung der indirekten Effekte, die durch Doppelsysteme Schwarzer Löcher verursacht werden). Aufgrund der Beobachtungsunsicherheit ist es jedoch sehr umstritten, ob es sich bei diesen Kandidaten um supermassereiche Doppelsysteme Schwarzer Löcher handelt. Darüber hinaus sind diese Kandidaten zu weit von der Erde entfernt, was es noch schwieriger macht, den Abstand zwischen den binären Schwarzen Löchern und den Zeitpunkt der Verschmelzung zu bestimmen. Wissenschaftler sind sich einig, dass die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zur Entstehung eines größeren supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie führt. Dies ist die Hauptursache für das Wachstum und die Bildung supermassiver Schwarzer Löcher.

Wie bei der Verschmelzung von Doppelsystemen Schwarzer Löcher mit Sternmasse wird auch die Verschmelzung von Doppelsystemen Schwarzer Löcher mit supermassereichen Massen im Zentrum von Galaxien eine starke Gravitationswellenstrahlung erzeugen. Im Jahr 2016 konnte das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in den USA erstmals das Gravitationswellenereignis GW150914 direkt nachweisen, das durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit Sternmasse verursacht wurde. Damit wurde eine neue Ära der Gravitationswellenastronomie eingeläutet.

Die Frequenz der Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier supermassereicher Schwarzer Löcher entstehen, liegt außerhalb des Erfassungsbereichs des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eines erdgebundenen Gravitationswellendetektors. Beim Verschmelzungsereignis supermassereicher Doppelschwarzer Löcher mit einer Masse von einer Million Sonnen liegt die Frequenz der von ihnen ausgestrahlten Gravitationswellen im Millihertzbereich. Dieser Bereich ist das Haupterfassungsziel künftiger Weltraumdetektoren für niederfrequente Gravitationswellen, wie etwa der „Tianqin“- und „Tai Chi“-Projekte meines Landes und des europäischen LISA-Projekts. Die Frequenz der Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher mit Massen im Bereich von Hunderten Millionen bis hin zu Milliarden Sonnenmassen entstehen, ist extrem niedrig (Nanohertz bis Mikrohertz) und kann nur durch Pulsar-Timing-Arrays erfasst werden.

03 Unfallstelle eines Weltraumautos

Supermassereiche Doppelsysteme Schwarzer Löcher gibt es im Universum in Hülle und Fülle, und viele der von ihnen erzeugten Gravitationswellen sind zu schwach, um sie unterscheiden zu können. Die Überlagerung dieser Signale bildet ein Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Durch die Erfassung dieses Gravitationswellen-Hintergrundrauschens können Wissenschaftler abschätzen, wie viele supermassereiche Doppelsysteme Schwarzer Löcher Gravitationswellen zur Erde aussenden.

Derzeit haben Astronomen zahlreiche „kosmische Autounfallszenen“ von Verschmelzungen schwarzer Löcher beobachtet. Solche Verschmelzungen sind die Hauptursache für das Wachstum von Galaxien. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass massereiche Galaxien das Ergebnis mehrfacher Verschmelzungen sekundärer Galaxien sein könnten. Verschmelzungen sind auch für die Entstehung der Galaxienformen verantwortlich. Während der Kollision wird das Gas in der Galaxie komprimiert, wodurch sich schnell eine große Zahl von Sternen bildet und eine Starburst-Galaxie entsteht.

Gleichzeitig können einige Galaxien mit besonderen Formen auch das Ergebnis von Kollisionen sein. Beispielsweise könnte die Cartwheel-Galaxie das Ergebnis einer kleinen Galaxie sein, die vertikal durch eine große Spiralgalaxie hindurchfliegt.

Umfassende Quellen: Xinhuanet, Science and Technology Daily usw.