Außergewöhnliches Schwarzes Loch – wie kein anderes – in benachbarter Galaxie entdeckt

Die Entdeckung, eines der wenigen bestätigten Schwarzen Löcher mittlerer Masse, lebt in einem ebenso seltenen Objekt, das als massearmer, abgestreifter Kern bekannt ist.

Astronomen entdeckten a schwarzes Loch anders als alle anderen. Mit hunderttausend Sonnenmassen ist es kleiner als die Schwarzen Löcher, die wir in den Zentren von Galaxien gefunden haben, aber größer als die Schwarzen Löcher, die entstehen, wenn Sterne explodieren. Damit ist es eines der wenigen bestätigten Schwarzen Löcher mittlerer Masse, ein Objekt, das seit langem von Astronomen gesucht wird.

„Wir haben sehr gute Nachweise der größten Schwarzen Löcher mit stellarer Masse, die bis zu 100 Mal so groß sind wie unsere Sonne, und supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die Millionen Mal so groß sind wie unsere Sonne, aber es gibt keine alle Messungen von Schwarz zwischen diesen. Das ist eine große Lücke“, sagte Seniorautor Anil Seth, außerordentlicher Professor für Astronomie an der University of Utah und Mitautor der Studie. „Diese Entdeckung füllt die Lücke.“

Die Andromeda-Galaxie oder M31 ist der größte galaktische Nachbar unserer Milchstraße. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Das Schwarze Loch war in B023-G078 versteckt, einem riesigen Sternhaufen in unserer nächsten Nachbargalaxie Andromeda. Lange Zeit für einen Kugelsternhaufen gehalten, argumentieren die Forscher, dass B023-G078 stattdessen ein abgestreifter Kern ist. Abgestreifte Kerne sind Überreste kleiner Galaxien, die in größere Galaxien zerfallen sind und deren äußere Sterne durch Gravitationskräfte abgestreift wurden. Was zurückbleibt, ist ein winziger, dichter Kern, der die größere Galaxie umkreist, und im Zentrum dieses Kerns ein Schwarzes Loch.

„Zuvor haben wir große Schwarze Löcher in massiven, abgestreiften Kernen gefunden, die viel größer als B023-G078 sind. Wir wussten, dass es kleinere Schwarze Löcher in Kernen mit geringerer Masse geben muss, aber es gab nie direkte Beweise“, sagte die Hauptautorin Renuka Pechetti von der Liverpool John Moores University, die die Forschung während ihres Studiums an der University of California begann. „Ich denke, das ist hübsch klarer Fall, dass wir endlich eines dieser Objekte gefunden haben.“

Der Studium war veröffentlicht am 11. Januar 2022, in Das Astrophysikalische Journal.

Das linke Feld zeigt ein Weitwinkelbild von M31 mit dem roten Kästchen und dem Einschub, der die Position und das Bild von B023-G78 zeigt, wo das Schwarze Loch gefunden wurde. Bildnachweis: Iván Éder, https://www.astroeder.com/; HST ACS/HRC

Eine jahrzehntelange Ahnung

B023-G078 war als massiver Kugelsternhaufen bekannt – eine kugelförmige Ansammlung von Sternen, die durch die Schwerkraft eng verbunden sind. Es hatte jedoch nur eine einzige Beobachtung des Objekts gegeben, die seine Gesamtmasse von etwa 6,2 Millionen Sonnenmassen bestimmt hatte. Jahrelang hatte Seth das Gefühl, es sei etwas anderes.

„Ich wusste, dass das Objekt B023-G078 eines der massereichsten Objekte in Andromeda ist, und dachte, es könnte ein Kandidat für einen abgestreiften Kern sein. Aber wir brauchten Daten, um es zu beweisen. Wir haben uns viele, viele Jahre lang bei verschiedenen Teleskopen beworben, um mehr Beobachtungen zu bekommen, und meine Vorschläge sind immer gescheitert“, sagte Seth. „Als wir 2014 ein supermassereiches Schwarzes Loch in einem abgestreiften Kern entdeckten, gab uns das Gemini Observatory die Möglichkeit, die Idee zu untersuchen.“

Mit ihren neuen Beobachtungsdaten vom Gemini Observatory und Bildern von der Hubble-Weltraumteleskop, Pechetti, Seth und ihr Team berechneten, wie die Masse innerhalb des Objekts verteilt war, indem sie sein Lichtprofil modellierten. Ein Kugelsternhaufen hat ein charakteristisches Lichtprofil, das in der Nähe des Zentrums dieselbe Form hat wie in den äußeren Regionen. B023-G078 ist anders. Das Licht in der Mitte ist rund und wird nach außen hin flacher. Die chemische Zusammensetzung der Sterne ändert sich ebenfalls, mit mehr schweren Elementen in den Sternen in der Mitte als in den Sternen am Rand des Objekts.

„Kugelsternhaufen entstehen grundsätzlich gleichzeitig. Im Gegensatz dazu können diese abgestreiften Kerne wiederholte Entstehungsepisoden haben, bei denen Gas in das Zentrum der Galaxie fällt und Sterne bildet. Und andere Sternhaufen können durch die Gravitationskräfte der Galaxie ins Zentrum gezogen werden“, sagte Seth. „Es ist eine Art Müllhalde für ein paar verschiedene Sachen. Sterne in abgestreiften Kernen sind also komplizierter als in Kugelsternhaufen. Und das haben wir in B023-G078 gesehen.“

Die Forscher nutzten die Massenverteilung des Objekts, um vorherzusagen, wie schnell sich die Sterne an einem bestimmten Ort innerhalb des Haufens bewegen sollten, und verglichen sie mit ihren Daten. Die Sterne mit der höchsten Geschwindigkeit umkreisten das Zentrum. Als sie ein Modell ohne schwarzes Loch bauten, waren die Sterne im Zentrum im Vergleich zu ihren Beobachtungen zu langsam. Als sie das Schwarze Loch hinzufügten, erhielten sie Geschwindigkeiten, die mit den Daten übereinstimmten. Das Schwarze Loch trägt zum Beweis bei, dass dieses Objekt ein abgestreifter Kern ist.

„Die Sterngeschwindigkeiten, die wir erhalten, liefern uns einen direkten Beweis dafür, dass sich direkt im Zentrum eine Art dunkle Masse befindet“, sagte Pechetti. „Für Kugelsternhaufen ist es sehr schwierig, große Schwarze Löcher zu bilden. Aber wenn es sich um einen gestrippten Kern handelt, dann muss bereits ein Schwarzes Loch vorhanden sein, das als Überbleibsel der kleineren Galaxie übrig geblieben ist, die in die größere gefallen ist.“

Die Forscher hoffen, mehr abgestreifte Kerne zu beobachten, die möglicherweise mehr Schwarze Löcher mittlerer Masse enthalten. Dies ist eine Gelegenheit, mehr über die Population der Schwarzen Löcher in den Zentren massearmer Galaxien zu erfahren und zu erfahren, wie Galaxien aus kleineren Bausteinen aufgebaut sind.

„Wir wissen, dass große Galaxien im Allgemeinen aus der Verschmelzung kleinerer Galaxien entstehen, aber diese abgestreiften Kerne ermöglichen es uns, die Details dieser vergangenen Wechselwirkungen zu entschlüsseln“, sagte Seth.

Referenz: „Erkennung eines 100.000 m_⊙ Schwarzes Loch im massereichsten Kugelsternhaufen von M31: A Tidally Stripped Nucleus“ von Renuka Pechetti, Anil Seth, Sebastian Kamann, Nelson Caldwell, Jay Strader, Mark den Brok, Nora Luetzgendorf, Nadine Neumayer und Karina Voggel, 11. Januar 2022, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac339f

Weitere Autoren sind Sebastian Kamann von der Liverpool John Moores University; Nelson Caldwell, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Jay Strader, Michigan State University; Mark den Brok, Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam; Nora Lützgendorf, Europäische Weltraumorganisation; Nadine Neumayer, Max-Planck-Institut für Astronomie; und Karina Voggel, Observatoire astronomique de Strasbourg.