Zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die in durch Kollisionen entstandenen „fossilen Galaxien“ gefunden wurden, sind so massiv, dass sie sich weigern, zusammenzustoßen und zu verschmelzen. Die Entdeckung könnte erklären, warum die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher zwar theoretisch vorhergesagt wird, sie jedoch nie im Verlauf beobachtet wurde.
Das supermassive Schwarze-Loch-System befindet sich in der elliptischen Galaxie B2 0402+379. Zusammen haben die beiden Schwarzen Löcher eine gemeinsame Masse von 28 Milliarde Mal größer als die Sonne, was es zum massereichsten Doppelsternsystem eines Schwarzen Lochs macht, das je gesehen wurde. Darüber hinaus sind die binären Komponenten dieses Systems in einem supermassiven Schwarzen-Loch-Paar am nächsten, nur 24 Lichtjahre voneinander entfernt.
Dies ist das einzige supermassereiche Binärsystem eines Schwarzen Lochs, das jemals so detailliert aufgelöst wurde, dass man beide Objekte getrennt betrachten konnte. Obwohl die Nähe der beiden Körper vermuten lässt, dass sie kollidieren und verschmelzen sollten, scheint es seltsam, dass sie seit über drei Milliarden Jahren in demselben Orbitaltanz umeinander gefangen sind.
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Das Team, das den Doppelstern in Daten des Gemini North-Teleskops auf Hawaii gefunden hat, geht davon aus, dass die supermassiven Schwarzen Löcher aufgrund ihrer enormen Masse an der Verschmelzung gehindert werden.
„Normalerweise scheinen Galaxien mit leichteren Schwarzlochpaaren genug Sterne und Masse zu haben, um die beiden schnell zusammenzutreiben“, sagte Roger Romani, Mitglied des Teams und Physikprofessor an der Stanford University, in einer Erklärung. „Da dieses Paar so schwer ist, waren viele Sterne und Gas erforderlich, um die Aufgabe zu erfüllen. Aber der Doppelstern hat die Zentralgalaxie von solcher Materie befreit und sie zum Stillstand gebracht.“
Supermassereiches Schwarzes-Loch-Paar ist einfach nicht kompatibel … noch nicht
B2 0402+379 ist ein „Fossilhaufen“, der darstellt, was passiert, wenn die Sterne und das Gas eines ganzen Galaxienhaufens zu einer einzigen massereichen Galaxie verschmelzen. Die enorme Masse der beiden supermassiven Schwarzen Löcher in seinem Herzen lässt darauf schließen, dass sie durch eine Kette von Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, als mehrere Galaxien im Cluster aufeinandertrafen und miteinander verschmolzen.
Wissenschaftler glauben, dass sich im Herzen der meisten, wenn nicht aller Galaxien ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse befindet, die Millionen oder Milliarden Sonnen entspricht. Kein einzelner Stern kann kollabieren und so massereiche Schwarze Löcher hervorbringen. Daher geht man davon aus, dass supermassive Schwarze Löcher durch Verschmelzungsketten zwischen immer größeren Schwarzen Löchern entstehen.
Wenn Galaxien selbst kollidieren und verschmelzen, vermuten Wissenschaftler, dass sich die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihrem Herzen zusammenbewegen und ein binäres Paar bilden. Während sie einander umkreisen, senden diese Schwarzen Löcher Wellen in der Raumzeit aus, sogenannte Gravitationswellen, die den Drehimpuls vom Doppelstern wegtragen und dazu führen, dass die Schwarzen Löcher enger beieinander kreisen.
Wenn die Schwarzen Löcher schließlich nah genug beieinander sind, sollte ihre Anziehungskraft die Oberhand gewinnen und die Schwarzen Löcher kollidieren und verschmelzen, genau wie die Schwarzen Löcher, die bei ihrer Entstehung kollidierten. Die Frage ist, könnten einige supermassereiche Schwarze Löcher so massiv sein, dass eine solche Kollision zum Stillstand kommt?
Um dieses System aus Schwergewichten der Schwarzen Löcher besser zu verstehen, griff das Team auf Archivdaten zurück, die mit dem Gemini Multi-Object Spectrograph (GSO) von Gemini North gesammelt wurden. Dadurch können sie die Geschwindigkeit der Sterne in der Umgebung der beiden supermassiven Schwarzen Löcher und damit die Gesamtmasse dieser Schwarzen Löcher bestimmen.
„Die hervorragende Empfindlichkeit von GMOS ermöglichte es uns, die zunehmenden Geschwindigkeiten der Sterne zu kartieren, wenn man näher an das Zentrum der Galaxie blickt“, fügte Romani hinzu. „Damit konnten wir auf die Gesamtmasse der dort befindlichen Schwarzen Löcher schließen.”
Eine ins Stocken geratene Fusion
Die Masse der beiden Schwarzen Löcher des Systems ist so groß, dass das Team davon ausgeht, dass eine außergewöhnlich große Population von Sternen um sie herum erforderlich wäre, um die supermassereichen Schwarzen Löcher nahe beieinander zu bringen. Während dies geschah, schleuderte die aus dem Doppelsternsystem freigesetzte Energie jedoch Materie aus ihrer Umgebung weg.
Dies hat dazu geführt, dass das Zentrum von B2 0402+379 nahe genug am Doppelsternsystem keine Sterne und kein Gas mehr hat, um ihm Energie zu entziehen. Infolgedessen ist der Fortschritt dieser beiden supermassiven Schwarzen Löcher aufeinander zu ins Stocken geraten, da sie sich dem Endstadium vor einer Verschmelzung nähern.
Die Ergebnisse des Teams liefern wichtige Zusammenhänge zur Bildung supermassereicher Doppelsterne Schwarzer Löcher nach galaktischen Verschmelzungen, stützen aber auch die Idee, dass die Masse solcher Doppelsterne eine entscheidende Rolle dabei spielt, dass Schwarze Löcher nicht diesem Beispiel folgen.
Das Team ist derzeit unsicher, ob diese beiden supermassereichen Schwarzen Löcher in diesem schwersten jemals entdeckten Doppelsternsystem diese Pause überwinden und schließlich verschmelzen werden, oder ob sie dauerhaft in der Schwebe der Verschmelzung gefangen bleiben werden.
„Wir freuen uns auf Folgeuntersuchungen des Kerns von B2 0402+379, bei denen wir untersuchen werden, wie viel Gas vorhanden ist“, sagte der Hauptautor der Studie und Stanford-Student Tirth Surti. „Dies sollte uns mehr Erkenntnisse darüber geben, ob die supermassereichen Schwarzen Löcher irgendwann verschmelzen können oder ob sie als Doppelsterne gestrandet bleiben.“
Eine Möglichkeit, diesen supermassereichen Patt zu stoppen, besteht darin, dass eine andere Galaxie mit B2 0402+379 verschmilzt, wodurch viel mehr Sterne, Gas und ein weiteres supermassereiches Schwarzes Loch in die Mischung gelangen und dieses empfindliche Gleichgewicht gestört wird. Die Tatsache, dass B2 0402+379 eine seit Milliarden Jahren ungestörte Fossilgalaxie ist, macht dieses Szenario jedoch wahrscheinlich.
Diese Forschung stellt sicher, wie nützlich Archivdaten von Teleskopen wie dem Gemini North, das zusammen mit dem Gemini South-Teleskop auf einem Berg in den chilenischen Anden das Internationale Gemini-Observatorium bildet, für Astronomen sind.
„Das Datenarchiv des International Gemini Observatory birgt eine Goldgrube unerschlossener wissenschaftlicher Entdeckungen“, sagte Martin Still, Programmdirektor der Nation Science Foundation für das International Gemini Observatory. „Massenmessungen für dieses extrem supermassive binäre Schwarze Loch sind ein beeindruckendes Beispiel für die möglichen Auswirkungen neuer Forschungen, die dieses reichhaltige Archiv erforschen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams werden im Astrophysical Journal veröffentlicht.