Ein extrem massereiches Schwarzes Loch, mindestens zehn Millionen Mal so schwer wie die Sonne, das mit fast 1000 Kilometern pro Sekunde durch den Raum zwischen den Galaxien rast – kann es so etwas geben? Schwarze Löcher mit Millionen oder Milliarden Sonnenmassen befinden sich typischerweise in den Zentren großer Galaxien, umgeben von Sternen, Staub und Gas. Doch ein Team um den Astronomen Pieter van Dokkum von der Yale University im US-Bundesstaat Connecticut berichtete im Jahr 2023 von einem außergewöhnlichen Fund: RBH-1, kurz für Runaway Black Hole 1 (deutsch etwa: ausgerissenes Schwarzes Loch), könnte ein Schwarzes Loch sein, das seiner Heimatgalaxie entkommen ist und auf einer ungebundenen Bahn durch den intergalaktischen Raum zieht – mit geradezu atemberaubender Geschwindigkeit. Es wäre das erste bekannte Objekt dieser Art.

»Die Kräfte, die nötig waren, das Schwarze Loch von seinem früheren Standort loszureißen, waren enorm«, meint van Dokkum. Da stellt sich die Frage, was diesen Ausbruch ermöglicht hat – und ob die Interpretation der Astronomen überhaupt stimmt. Tatsächlich streiten sich zwei Forschergruppen schon seit einigen Jahren über RBH-1. Doch van Dokkum und seine Kollegen sind zuversichtlich. Neue Beobachtungsdaten, gewonnen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), ließen kaum einen anderen Schluss zu, so das Team. RHB-1 sei wahrlich das erste Schwarze Loch, das auf der Flucht erwischt wurde.

Verdächtige Wolke

Die Geschichte beginnt im Jahr 2023 mit einer ungewöhnlichen »Wolke« auf einer Aufnahme des Hubble Space Telescope (HST). Die Struktur ist rund acht Bogensekunden lang, weniger als eine halbe Bogensekunde breit und scheint wie ein dünner Strahl aus der Zwerggalaxie RCP 28 im Sternbild Schlangenträger zu ragen. Eine Analyse ihrer kosmologischen Rotverschiebung ergibt wie für RCP 28 einen Wert von z = 0,964. Die Struktur steht demnach tatsächlich mit dieser Galaxie in Verbindung (siehe »Ein vermeintlicher Bildfehler?«). Ihr Licht war rund 7,7 Milliarden Jahre zu uns unterwegs. Aus der Entfernung und der scheinbaren Ausdehnung am Himmel leitet das Team eine wahre Länge der rätselhaften Struktur von rund 200 000 Lichtjahren ab, was etwa der Distanz des Milchstraßensystems zur Kleinen Magellanschen Wolke entspricht. Ihre Breite misst weniger als 4000 Lichtjahre. Damit ist sie etwa halb so dick wie die Scheibe unserer Galaxis.

Die Struktur zeigt zwar Ähnlichkeiten zu anderen dünnen Objekten, etwa zu dem ebenfalls im Visuellen sichtbaren Ausfluss der aktiven Galaxie Messier 87 oder jenem des Quasars 3C 273, doch bei genauerem Hinsehen zeigen sich einzigartige Besonderheiten. Besonders verdächtig fanden die Forscher einen auffälligen Lichtknoten direkt am von der Galaxie RCP 28 abgewandten Ende der Wolke (siehe »Leuchtender Schweif«): Er erinnert an eine Stoßfront, hervorgerufen durch ein massereiches Objekt, das sich mit hoher Geschwindigkeit durch den intergalaktischen Raum bewegt.

Der Raum zwischen den Galaxien ist keineswegs völlig leer: Er enthält große Mengen extrem dünnen Gases, hauptsächlich in Form ionisierten Wasserstoffs. Ein massereiches Objekt würde das Gas wie ein Schneepflug vor sich herschieben und hinter sich eine Zone geringerer Dichte erzeugen, in die das verdrängte Material zurückströmt. Die auf dem Hubble-Bild sichtbare Wolke könnte somit eine Art von Kielwelle im intergalaktischen Medium sein.

Für van Dokkum und seine Mitarbeiter war schnell klar, dass nur ein massereiches Schwarzes Loch eine derart ausgeprägte Welle erzeugen kann. Da die Wolke direkt auf RCP 28 zurückweist, müsste das Schwarze Loch aus deren Zentrum stammen, schließt die Gruppe. Doch wie kann ein Objekt mit Millionen Sonnenmassen dem tiefen Gravitationspotenzial seiner Heimatgalaxie entkommen und mit immerhin rund 0,3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit davonrasen – schneller als fast jedes andere Objekt im Universum, wie van Dokkum betont?

Drei sind einer zu viel

Die Annahme eines extrem massereichen Einzelgängers ist keineswegs abwegig: Galaxien verschmelzen im Lauf ihrer Entwicklung immer wieder miteinander; auch das Milchstraßensystem hat bereits mehrere solcher Vereinigungen hinter sich. Dabei treffen unweigerlich auch ihre zentralen, extrem massereichen Schwarzen Löcher aufeinander. Im einfachsten Fall verschmelzen sie ihrerseits zu einem noch massereicheren Giganten und strahlen dabei Energie in Form von Gravitationswellen ab. Dabei, das zeigten schon Arbeiten aus den 1970er-Jahren, kann das neu entstandene Schwarze Loch einen erheblichen Rückstoß erhalten – insbesondere dann, wenn sich Massen, Rotationsgeschwindigkeiten und die Orientierung der Rotationsachsen der beteiligten Partner stark unterscheiden. Ein solcher Rückstoß könnte ausreichen, um das bei der Vereinigung entstandene Schwarze Loch auf Geschwindigkeiten jenseits der lokalen Fluchtgeschwindigkeit der Welteninsel zu beschleunigen. In der Folge wird es aus seiner Galaxie hinausgeschleudert und zu einem intergalaktischen Vagabunden.

Ein alternatives Szenario könnte wie folgt aussehen: Die beiden Schwarzen Löcher verschmelzen zunächst nicht, sondern bilden ein sich gegenseitig eng umkreisendes Paar. Kollidiert die Wirtsgalaxie später erneut mit einer weiteren Welteninsel, kann das nun hinzukommende dritte Schwarze Loch aus deren galaktischem Zentrum den fragilen Paartanz aus dem Takt bringen. Eines der drei Objekte in diesem gravitativen Dreikörperproblem wird schließlich hinauskatapultiert. Im ersten Szenario verbleibt die Galaxie ohne Schwarzes Loch in ihrem Zentrum, im zweiten bildet sich dagegen ein enges Doppelsystem in der verbliebenen Welteninsel.

Soweit die Theorie – doch trifft eines dieser Szenarien tatsächlich auf die rätselhafte Wolke in der Aufnahme des HST zu? Ein genauerer Blick zeigt, dass sich in den zahlreichen Helligkeitsknoten entlang der Struktur Sterne bilden. Van Dokkum und sein Team erklären dies mit Turbulenzen innerhalb der vermuteten Kielwelle. Dort, wo das Gas besonders stark komprimiert wird, kollabiert es unter seiner eigenen Schwerkraft und bildet neue Sterne.

Doch nicht alle Astronomen teilen diese Interpretation. Jorge Sánchez, Mireia Montes und Ignacio Trujillo von der Universität La Laguna auf Teneriffa formulieren eine andere Idee. Ihrer Ansicht nach handelt es sich bei der lang gestreckten Struktur vielmehr um eine außergewöhnlich flache Galaxie in Kantenstellung ohne ein ausgeprägtes Zentralgebiet (Bulge), wie es auch unsere Galaxis besitzt. Dort wäre ebenfalls Sternentstehung zu erwarten. Zudem argumentiert die Gruppe, dass dem Schwarzen Loch bei seiner angenommenen Geschwindigkeit und Entfernung zu RCP 28 nur etwa 39 Millionen Jahre geblieben wären, um seine galaktische Heimat zu verlassen. Das ließe nicht genügend Zeit, um die vielen Sterne entlang der gesamten Struktur zu bilden, so Sánchez und seine Kollegen. Eine »bulgelose« Galaxie sei zwar ungewöhnlich, letztlich jedoch die plausiblere Interpretation als ein davonrasendes Schwarzes Loch.

Neue Einsichten mit dem JWST

Für eine Weile blieb die Angelegenheit ungelöst. Schwarze Löcher setzen definitionsgemäß keine eigene Strahlung frei; Aufnahmen zeigen stets nur ihre Umgebung, nicht die massereichen Objekte selbst. Die Hubble-Aufnahme ließ daher Raum für unterschiedliche Interpretationen. Um mehr Klarheit zu gewinnen, rückten van Dokkum und sein Team deshalb dem hellen »Kopf« der Wolke zu Leibe, also dem Ort, an dem sie RBH-1 vermuteten – dieses Mal mit dem James-Webb-Teleskop. Zwar vermag auch dieses das Schwarze Loch nicht direkt abzubilden, doch seine hochaufgelösten Spektren verraten, wie schnell sich das Gas in der Wolke bewegt.

Direkt an der Spitze der Wolke strömt demnach Materie mit etwa 600 Kilometern pro Sekunde in die Sichtrichtung zur Erde (radial); nur wenige Lichtjahre weiter hinter dem Kopf entfernt sich das Gas dagegen mit rund 50 Kilometern pro Sekunde vom Beobachter. Genau ein solches Geschwindigkeitsmuster erwartet man, wenn der Kopf eine Stoßfront und die lang gezogene Struktur eine Kielwelle ist. Materie, die von einem massereichen Objekt fortgeschoben wird, strömt an einer Schockfront zu allen Seiten weg. Im hinteren Schweif konnte das Team im Mittel eine konstante Radialgeschwindigkeit von rund 300 Kilometern pro Sekunde feststellen. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten lässt sich am besten mit einer um etwa 30 Grad zur Sichtebene geneigten Bugwelle modellieren. Unter Berücksichtigung des Neigungswinkels ergibt sich so die wahre Geschwindigkeit des Schwarzen Lochs durch den intergalaktischen Raum von 954 Kilometern pro Sekunde relativ zu seiner Heimatgalaxie (siehe »Stoßwelle mit Überschall«).

»Die Stoßwellensignaturen sind kristallklar. Es besteht kein Zweifel daran, was hier vor sich geht!«Pieter van Dokkum, Astronom

Für ihre Beobachtungen nutzte das Team vor allem Messungen der Emissionslinien von zweifach ionisiertem Sauerstoff und der wichtigen H-alpha-Linie (siehe »Verräterische Strahlung«). Erstere liegt mit einer Wellenlänge von 500,7 Nanometern normalerweise im blaugrünen visuellen Bereich. Aufgrund der hohen Rotverschiebung konnte das Team die markante Linie jedoch bei 983,4 Nanometern nachweisen – tief im nahen Infrarot und damit im Arbeitsbereich des JWST. Hinzu kommen feinere Verschiebungen aufgrund des Dopplereffekts, hervorgerufen durch die Eigenbewegungen des Gases.

Die Beobachtungsdaten des JWST stützen die Hypothese des Teams um van Dokkum und erlauben zugleich eine Abschätzung der Masse von RBH-1. Es ist demnach mehrere zehn Millionen Sonnenmassen schwer. Das ist wohl nicht ganz zufällig genau die Größenordnung von Schwarzen Löchern, die Galaxien der Größe von RCP 28 typischerweise haben. Aus dieser Zahlengleichheit schließen die Forscher, dass RHB-1 das einzig übrig gebliebene Schwarze Loch im Zentrum von RCP 28 war, das heißt Szenarium 1 zutrifft: Die Galaxie dürfte demnach kein zentrales Schwarzes Loch mehr besitzen. »Die Stoßwellensignaturen sind kristallklar«, meint van Dokkum. »Es besteht kein Zweifel daran, was hier vor sich geht!«

»RBH-1 war ein Zufallsfund, doch in naher Zukunft werden wir massenhaft Weitwinkelaufnahmen in Hubble-Qualität haben.«Pieter van Dokkum, Astronom

Ganz überzeugt ist die Gegenseite allerdings weiterhin nicht. In einer bislang nicht von anderen Forschern begutachteten Replik auf van Dokkums Arbeit halten Sánchez und seine Kollegen an ihrer Interpretation der Wolke als flache Galaxie fest. Dennoch sprechen die bisherigen Indizien zunehmend dafür, dass RBH-1 tatsächlich existiert. Millionen Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher können ihren Heimatgalaxien also tatsächlich entkommen.

Offen bleibt allerdings, wie häufig solche Ausreißer im Kosmos wirklich sind, verglichen mit den zahlreichen Galaxienverschmelzungen. Und wie viele ziehen dabei eine auffällige Gaswelle hinter sich her? »RBH-1 war ein Zufallsfund, doch glücklicherweise werden wir dank des Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskops der NASA und – wenn auch mit etwas geringerer Auflösung – des europäischen Weltraumteleskops Euclid der ESA in naher Zukunft massenhaft Weitwinkelaufnahmen in Hubble-Qualität zur Verfügung haben«, meint van Dokkum. Mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens könnte man darin automatisiert nach ähnlichen dünnen »Wolken« suchen und möglicherweise zahlreiche weitere Beispiele ausgestoßener Schwarzer Löcher finden, hofft der Astronom. »Das wird ein cooles Projekt!«