Man nimmt an, dass die meisten großen Galaxien im Universum mindestens ein massereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum aufweisen. Zwei Schwarze Löcher in ihrem Inneren sind der eindeutige Beweis dafür, dass eine Galaxie durch die Verschmelzung (englisch: merger) von zwei Galaxien entstanden ist. Das Aufspüren von Systemen mit jeweils zwei extrem massereichen schwarzen Löchern gibt somit den Astronomen Erkenntnisse darüber, wie sich die Galaxien im Universum zu ihrem heutigen Erscheinungsbild in Ausdehnung und Gestalt entwickelt haben.

Ein enges Paar aus Schwarzen Löchern bei der Materieaufnahme (künstlerische Darstellung)
© ESA / Christophe Carreau
(Ausschnitt)
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In dieser künstlerischen Darstellung ist ein Paar dicht benachbarter Schwarzer Löcher zu sehen. Eines der beiden akkretiert (verschluckt) die Überreste eines auseinandergerissenen Sterns, während das andere diesen Gasstrom zeitweise unterbricht.

Bis heute wurde nur eine Handvoll Kandidaten für Paare von extrem massereichen Schwarzen Löchern gefunden, die in den Zentren von Galaxien in geringem Abstand umeinander rotieren. Bisher war das ausschließlich in aktiven Galaxienkernen der Fall, in denen die Schwarzen Löcher ständig Gaswolken auseinanderreißen, bevor sie vollständig im Zentralobjekt verschwinden.

Im Gefolge dieses Akkretionsprozesses wird das Gas so weit aufgeheizt, dass es in zahlreichen Wellenlängenbereichen bis hin zur energiereichen Röntgenstrahlung aufleuchtet. Das führt zu einem ungewöhnlich leuchtkräftigen Zentralbereich dieser Galaxien, die auch als "aktive Galaxien" oder "aktive Galaxienkerne" (englisch: active galactic nuclei, AGN) bezeichnet werden. Die neue Entdeckung, über die Fukun Liu von der Peking-Universität in China und seine Kollegen berichten, ist deswegen so wichtig, weil hier zum ersten mal ein Paar von extrem massereichen Schwarzen Löchern in einer nicht aktiven Galaxie gefunden wurde.

"Es könnte eine ganze Population von nicht aktiven Galaxien geben, die binäre Schwarze Löcher in ihren Zentren aufweisen", sagt Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Koautorin der Veröffentlichung. Aber der Nachweis ist eine sehr schwierige Aufgabe, da hier keine Gaswolken zur regelmäßigen "Fütterung" der Schwarzen Löcher beitragen und die Kernbereiche dieser Galaxien somit dunkel bleiben.

Damit bleibt den Astronomen nur eine einzige Hoffnung, diese Schwarzen Löcher nachzuweisen. Sie müssen im richtigen Moment auf die richtige Stelle schauen, und zwar gerade dann, wenn eines dieser Schwarzen Löcher aktiv wird, indem es einen Stern auseinanderreißt, der ihm zu nahe gekommen ist. Ein solcher Vorgang wird englisch als "Tidal Disruption Event" bezeichnet, auf deutsch ungefähr "Zerreißung des Sterns durch Gezeitenkräfte". Im Zuge dieses Ereignisses erfolgt ein starker Ausbruch von Röntgenstrahlung.

In einer aktiven Galaxie wird das zentrale Schwarze Loch kontinuierlich durch Gaswolken gefüttert. In einer ruhigen Galaxie erfolgt hingegen die Aufnahme von Materie nur sporadisch durch ganze Sterne, die der Zentralquelle zu nahe kommen. Ein solcher Vorgang tritt nur unregelmäßig auf und lässt sich unmöglich vorhersagen. Um die Chancen zu erhöhen, ein derartiges Ereignis nun doch aufzuspüren, nutzen die Forscher den Röntgensatelliten XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur ESA auf neuartige Weise.

Normalerweise nimmt das Röntgenobservatorium Daten von vorgegebenen Positionen am Himmel auf, und zwar jeweils nur eine pro Zeitintervall. Sobald eine Beobachtung abgeschlossen ist, schwenkt das Teleskop zur nächsten Position. Der Trick ist nun, dass während der Schwenkbewegung die Instrumente des Röntgensatelliten eingeschaltet bleiben und weiter aufzeichnen. Auf diese Weise wird eine große Anzahl von zufällig verteilten Positionen am Himmel erfasst und diese Daten können in Bezug auf bisher unbekannte oder unerwartete Quellen von Röntgenstrahlung am Himmel analysiert werden.

Am 10. Juni 2010 wurde von XMM-Newton ein solches Ereignis in Richtung der Galaxie SDSS J120136.02+300305.5, in rund zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung aufgezeichnet. Stefanie Komossa und ihre Kollegen hatten die Röntgendaten speziell auf derartige Vorgänge untersucht und waren in der Lage, Nachfolgebeobachtungen der Röntgenstrahlung dieser Galaxie mit den Satelliten XMM-Newton der ESA und Swift von der NASA binnen weniger Tage anzusetzen.

Von der Galaxie wurde immer noch Röntgenstrahlung abgegeben. Die Beobachtungen stimmten zunächst voll mit dem erwarteten Erscheinungsbild für das Auseinanderreißen eines Sterns durch ein extrem massereiches Schwarzes Loch überein. Bei der Aufzeichnung der langsam schwächer werdenden Röntgenstrahlung nach einigen Tagen zeigte sich aber etwas Überraschendes.

Das Röntgensignal fiel zwischen den Tagen 27 und 48 nach der Entdeckung plötzlich unter die Nachweisgrenze. Dann wurde es wieder sichtbar und folgte weiterhin einer erwarteten Abschwächung, als ob nichts geschehen wäre. Auf Grund der Arbeit von Fukun Liu und Kollegen kann ein solches Verhalten erklärt werden. "Es ist genau das, was wir von einem Paar sich umkreisender extrem massereicher Schwarzer Löcher erwarten würden", sagt Liu.

Liu hat Modellrechnungen von Paaren von Schwarzen Löchern durchgeführt, die genau vorhersagen, dass die Röntgenstrahlung plötzlich verlischt und wenig später wieder messbar wird. Der Grund dafür ist, dass die Gravitation eines der Schwarzen Löcher den Materiefluss auf das andere unterbricht. Es hebt damit zeitweise die Brennstoffversorgung für den Ausbruch von Röntgenstrahlung auf. Nach seinen Rechnungen gibt es zwei mögliche Konfigurationen, die das beobachtete Verhalten der Röntgenstrahlung von J120136 erklären könnten.

In der ersten Konfiguration wird ein Schwarzes Loch von zehn Millionen Sonnenmassen von einem zweiten mit einer Million Sonnenmassen auf einer elliptischen Bahn umkreist. In der zweiten Lösung sind die Massen von beiden Schwarzen Löchern um jeweils einen Faktor 10 geringer, und ihre Bahn ist kreisförmig. In beiden Fällen ist es ein ziemlich enger Abstand: erbeträgt nur 17 Lichtstunden. Das entspricht etwa der Ausdehnung unseres Sonnensystems (oder dem derzeitigen Abstand der US-Raumsonde Voyager 1 von der Erde). Bei diesem geringen Abstand ist das Schicksal des neuentdeckten Paars von Schwarzen Löchern klar vorherbestimmt. Sie werden ihre Umlaufenergie allmählich abstrahlen und sich so auf einer spiralförmigen Bahn immer weiter annähern. Schließlich verschmelzen sie in rund zwei Millionen Jahren zu einem einzigen Schwarzen Loch.

Nach dem Aufspüren des ersten Kandidaten für ein binäres Schwarzes Loch in einer nicht-aktiven Galaxie ist die Suche nach weiteren Ereignissen dieser Art in vollem Gange. Die systematischen XMM-Newton-Beobachtungen während der Schwenks werden fortgesetzt. Und mit dem ersten Erfolg wird auch das Interesse für ein Netzwerk von Röntgenteleskopen zur Suche nach solchen Ereignissen am ganzen Himmel angespornt. Denn mit tausenden von solchen Ereignissen wird möglich sein, verlässliche statistische Aussagen darüber abzuleiten, in welcher Rate Galaxien miteinander verschmelzen.

Wenn Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, wird die Freisetzung einer gewaltigen Energiemenge erwartet, die überwiegend nicht in elektromagnetischer Strahlung erfolgt. "Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher dürfte die stärkste Quelle für Gravitationswellen im ganzen Universum darstellen", sagt Fukun Liu.

MPIfR / Red.