Schwarze Löcher wachsen ihrer Galaxie davon

eROSITA findet im späten Universum eine Population mit extremen Massenverhältnissen

Auf den Punkt gebracht

• Schwarze Löcher und Galaxien: Acht untersuchte Schwarze Löcher sind im Vergleich zu ihren Heimatgalaxien extrem massereich und wuchsen unverhältnismäßig zu den Galaxien.
• Ungewöhnliche Masseverhältnisse: Das Verhältnis zwischen Schwarzem Loch und Sternmasse der Galaxien liegt bei mindestens 1 zu 20, was deutlich über dem üblichen Wert von etwa 1 zu 200 liegt.
• Wachstumsphase der Schwarzen Löcher: Die Schwarzen Löcher akkretieren aktuell Materie mit einer Rate, die ihre Masse innerhalb von etwa einer Milliarde Jahren verdoppeln könnte.
• Zukünftige Forschung: Weitere eROSITA-Daten und hochaufgelöste Beobachtungen sollen klären, wie häufig diese Systeme sind und wie sich die Heimatgalaxien entwickeln.

In einem 140 Quadratgrad großen Himmelsfeld hat ein internationales Forschungsteam acht aktive Schwarze Löcher identifiziert, deren Masse mindestens fünf Prozent der gesamten Sternmasse ihrer Heimatgalaxien beträgt. Im nahen Universum liegt dieser Anteil typischerweise bei etwa einem halben Prozent. Die Beobachtung stellt die verbreitete Vorstellung infrage, dass Schwarze Löcher und Galaxien stets eng gekoppelt gemeinsam wachsen.

Die Studie unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) basiert vor allem auf Daten des Röntgenteleskops eROSITA. Das Team untersuchte in dem Himmelsfeld 22.079 Quasare, also aktive Galaxienkerne, in denen Materie auf ein supermassereiches Schwarzes Loch fällt und dabei intensive Strahlung erzeugt.

„Astronomen gingen davon aus, dass zentrale Schwarze Löcher stets eng gekoppelt mit ihren Galaxien wachsen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das nicht immer der Fall ist“, sagt Johannes Buchner vom MPE, der die Studie gemeinsam mit internationalen Partnern leitete.

Eine ungewöhnliche Population

Bei den acht Objekten liegt das Verhältnis zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der gesamten Sternmasse der Heimatgalaxie bei mindestens etwa 1 zu 20. Die Schwarzen Löcher machen damit einen ungewöhnlich großen Anteil an der Masse ihrer Galaxien aus.

Die Forschenden wählten die acht Objekte aus der vollständigen Stichprobe aller untersuchten Quasare des Himmelsfelds aus. Drei der acht Objekte gehören zu den 200 hellsten Quasaren des Himmelsfelds. Simulationen, die sowohl die Auswahl der Quellen als auch die Unsicherheiten der Massenmessungen berücksichtigen, zeigen, dass es sich hierbei nicht um bloße Ausreißer handelt, sondern um das Extrem einer statistischen Verteilung.

Die Schwarzen Löcher besitzen Massen zwischen etwa 800 Millionen und vier Milliarden Sonnenmassen. Das entspricht ungefähr der tausendfachen Masse von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße.

Stellen Sie sich vor, eine Deutsche Dogge lebt in einer Einzimmerwohnung. Das Schwarze Loch ist schlicht zu groß für sein Zuhause geworden", sagt Prof. Kirpal Nandra.

Wie die Massen bestimmt wurden

Für die Massenbestimmung nutzte das Team optische Spektren der Sloan Digital Sky Survey. Besonders wichtig waren breite Linien von Wasserstoff. Sie entstehen in ionisiertem Gas, das sich in der Umgebung des Schwarzen Lochs bewegt.

Aus der Breite der Linien lässt sich eine Geschwindigkeit ableiten, was zeigt dass Gaswolken das Schwarze Loch mit 40,000,000 km/h umkreisen. Zusammen mit der Leuchtkraft konnten Catarina Aydar and Qiaoya Wu die Masse der Schwarzen Löcher abschätzen.

Die Methode ist für den untersuchten Massenbereich und die betrachtete kosmische Epoche kalibriert. Für einzelne Objekte bleibt die Unsicherheit dennoch bei etwa einem Faktor drei. Die Schlussfolgerung betrifft daher nicht die exakte Masse jedes einzelnen Schwarzen Lochs, sondern die statistisch gesicherte Existenz dieser extremen Population.

„Die Spektren zeigten uns schwarzen Löcher, die die Masse von einer Milliarde Sonnen besitzen, also etwa tausendmal massereicher als das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie. Das ist schon beeindruckend!", findet Qiaoya Wu, Doktorandin an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Die Heimatgalaxien bleiben schwach

Während die Schwarzen Löcher durch ihre Röntgenstrahlung eindeutig als aktive Quasare sichtbar sind, erscheinen ihre Heimatgalaxien in den verfügbaren Aufnahmen nur sehr schwach oder nicht eindeutig.

Das Team wertete dazu Beobachtungen im ultravioletten, optischen und infraroten Licht aus. Wären die Heimatgalaxien so massereich wie die Milchstraße, müssten sie deutlich heller erscheinen. Die Daten sprechen deshalb dafür, dass sie wesentlich weniger Sterne enthalten.

Die Analyse beweist jedoch noch nicht, ob die Galaxien besonders kompakt sind, oder ob weiterhin neue Sterne entstehen. Hochaufgelöste Beobachtungen sollen diese Fragen klären.

„Die geringe Helligkeit der Heimatgalaxien zeigt, dass sie keine Sternmasse wie eine Galaxie von der Größe der Milchstraße besitzen können. Andernfalls wären sie in den vorhandenen Bildern deutlich sichtbar“, sagt Johannes Buchner.

Bilder mit hoher Auflösung werden nötig sein, um die Morphologie und Sternpopulation der Heimatgalaxien zu bestimmen.

Schwarze Löcher in einer Wachstumsphase

Die Röntgenstrahlung zeigt, dass die Schwarzen Löcher derzeit Materie akkretieren. Das Team schätzt ihre Wachstumsrate auf etwa 40 Millionen Sonnenmassen pro Milliarde Jahre. Ihre Masse könnte sich demnach innerhalb von ungefähr einer Milliarde Jahren verdoppeln.

Wenn die Akkretion anhält, würde das Verhältnis zwischen Schwarzem Loch und Sternmasse der Wirtsgalaxie weiter zunehmen. Ob die Galaxien gleichzeitig Sterne bilden, ist eine der offenen Fragen.

„Die Schwarzen Löcher sind im Verhältnis zu ihren Heimatgalaxien bereits ungewöhnlich massereich und nehmen dennoch weiterhin Materie auf“, sagt Catarina Aydar, Doktorandin am MPE.

Ein Problem für die Modelle

Die Beobachtungen deuten auf ein Wachstum hin, bei dem Schwarze Löcher zeitweise schneller an Masse gewinnen als die Sternpopulation ihrer Heimatgalaxien. Die gängigen kosmologischen Simulationen erzeugen solche extremen Systeme bislang nicht.

Das Forschungsteam verglich seine Ergebnisse unter anderem mit den Simulationen Illustris, TNG, Horizon-AGN, EAGLE, Simba, Magneticum und ASTRID. Diese Modelle erzeugen überwiegend Schwarze-Loch-zu-Sternmassen-Verhältnisse nahe dem lokalen Wert von etwa 1 zu 200. Die in der Studie beobachteten extremen Verhältnisse erreichen sie nicht.

Der Cambridge-Professor Roberto Maiolino, der nicht an der Studie beteiligt war, fasst zusammen: „Die Ergebnisse des Teams von Dr. Buchner sind aufregend und unerwartet. Wir sind wir davon ausgegangen, dass Galaxien und ihre Schwarzen Löcher in ihren Zentren eng verknüpft gemeinsam wachsen. Diese neuen Ergebnisse zeigen hingegen, dass Schwarze Löcher im Vergleich zu ihren Galaxien extrem massereich werden können, offenbar weitgehend entkoppelt von der Sternentstehung in der Galaxie. Dieses Verhalten wird in aktuellen Modellen der Galaxienentwicklung nicht berücksichtigt und zwingt uns, wie schwarzer Löcher über die Geschichte des Universum wachsen, neu zu denken."

Die Ergebnisse legen daher nahe, dass die derzeitigen Modelle das Wachstum Schwarzer Löcher und die Entwicklung ihrer Heimatgalaxien noch nicht vollständig beschreiben. Sie schlagen auch eine Brücke zu Beobachtungen aus dem frühen Universum, wo Systeme mit ähnlichen Masseverhältnissen gefunden wurden, und die Frage aufwerfen, wie schnell Schwarze Löcher tatsächlich wachsen können.

Weitere eROSITA-Daten und spektroskopische Surveys könnten zeigen, wie häufig solche Systeme sind. Hochaufgelöste Beobachtungen sollen klären, ob ihre Heimatgalaxien noch Sterne bilden, wie sie aufgebaut sind und auf welchem Weg Gas über lange Zeit in ihre zentralen Schwarzen Löcher gelangte.