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Schwarze Löcher

Schwarze Löcher in Rudeln – Update

Astronomen stießen auf ein seltenes Dreifachsystem von extrem massereichen Schwarzen Löchern. Der Abstand zwischen den zwei sich am nächsten kommenden Komponenten des Systems beträgt nur rund 450 Lichtjahre.
Doppelsystem Schwarzer Löcher

Update: Die Veröffentlichung von Roger P. Deane vom Department of Astronomy der University of Cap Town sorgte auch in der Fachwelt für reges Interesse. Der Fund der Forschergruppe stellte in Aussicht, dass enge Mehrfachsysteme von Schwarzen Löchern verhältnismäßig häufig im Universum vorkommen. Im Allgemeinen sollten solche umeinanderkreisenden Schwarzen Löcher das Produkt von Galaxienverschmelzungen sein, wurden aber in der Vergangenheit nur vereinzelt beobachtet. Deshalb und wegen des kleinen Abstands von nur rund 450 Lichtjahren zwischen den zwei im Radiobereich beobachteten Komponenten J1502SE und J1502SW war die Meldung eine kleine Sensation.

Joan Wrobel vom National Radio Astronomy und Kollegen berichten nun im Fachjournal "The Astrophysical Journal Letters" von eigenen unabhängigen Untersuchungen der Quelle mit dem Very Long Baseline Array (VLBA). Das Radiointerferometer erlaubt eine höhere Empfindlichkeit und Auflösung als sie mit dem VLBI möglich war. Es lässt in den Bildern Strukturen erkennen, die für eine andere Interpretation abseits der Erklärung durch zwei eng beieinander liegende Schwarze Löcher sprechen. Die Astronomen folgern, dass die Doppelquelle auf nur ein Schwarzes Loch zurückgeht. Dieses beschleunigt Materie entlang von Jets auf relativistische Geschwindigkeiten, die dann beim Auftreffen auf das interstellare Medium die Abstrahlung verursacht. Solche kompakten und symmetrisch angeordneten "Hotspots" (Compact Symmetric Objects – CSOs), sind aus Beobachtungen von Radiogalaxien bereits vielfach bekannt.

Erst weitere Untersuchungen von J1502SE/SW, die bereits von der Gruppe beantragt wurden, werden die Frage nach dem Ursprung der beiden Quellen endgültig beantworten können. Des Weiteren zeigt sich, dass es notwendig sein wird, die spektralen Eigenschaften und Ausdehnungen von CSOs zu untersuchen, um in Zukunft sicherer zwischen solchen und tatsächlichen engen Doppelsystemen von Schwarzen Löchern unterscheiden zu können.

Die uns zahlreich bekannten elliptischen Galaxien sind Ansammlungen alter Sterne. Im Gegensatz zu Spiralgalaxien besitzen sie keine markanten Strukturen und weisen eher gleichförmige Helligkeitsverteilungen auf. Unserem heutigen Verständnis nach finden sich Gründe dafür in ihrer Entstehungsgeschichte. Sie entstanden vermutlich durch Verschmelzungen kleinerer Sternpopulationen in der Vergangenheit. Insbesondere in den frühen Entwicklungsphasen des Universums kamen sich Galaxien häufig sehr nahe und vereinigten sich daraufhin zu einem einzelnen Sternensystem.

Doppelsystem Schwarzer Löcher
Enges Doppelsystem extrem massereicher Schwarzer Löcher | Die VLBI-Radiowellenkarte bei 1,7 und 5 Gigahertz zeigt die zwei engen Komponenten des Dreifachsystems, die als J1502SE und J1502SW bezeichnet werden. Am Himmel liegen die beiden Quellen rund 26 Millibogensekunden (mas) auseinander. Das entspricht einem projizierten Abstand von rund 450 Lichtjahren.

Daraus ergibt sich eine weitere bedeutende Konsequenz: Da massereiche Galaxien, wie es inzwischen vielfach belegt wurde, extrem massereiche Schwarze Löcher in ihrem Zentrum beherbergen, sollten diese nach solchen Galaxienverschmelzungen vorerst umeinanderkreisen. Somit dürften Doppel- und Mehrfachsysteme von Schwarzen Löchern relativ häufig vorkommen. Allerdings wurden solche engen Systeme bisher nur vereinzelt beobachtet. Oft reicht jedoch die Auflösung der üblichen Durchmusterungen nicht aus, um die einzelnen Bestandteile als eigenständige Objekte erkennen zu können. Umso bemerkenswerter ist der jetzige Fund von Roger P. Deane vom Department of Astronomy der University of Cape Town und Kollegen, zu denen unter anderem auch Astronomen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn zählen. Sie untersuchten das Objekt SDSS J150243.09+111557.3. Frühere Beobachtungen deuteten darauf hin, dass es sich bei diesem um ein Paar von aktiven Galaxienkernen in einem Abstand von 24 000 Lichtjahren handelte.

Nun beobachteten die Forscher das System im Radiobereich bei Frequenzen von 1,7 und 5 Gigahertz mit dem Teleskopverbund VLBI (Very Long Baseline Interferometer) und machten eine spektakuläre Entdeckung: Eine der beiden Komponenten setzt sich selbst aus zwei Bestandteilen zusammen, die nur rund 450 Lichtjahre voneinander getrennt sind. Die gemessenen Radiospektren und Strahlungstemperaturen lassen darauf schließen, dass es sich bei beiden um aktive Galaxienkerne handelt, deren extrem massereiche Schwarze Löcher Materie ansammeln und dabei relativistische Jets produzieren. Die Materieströme ließen sich auch abbilden und weisen eine gewundene, "S"-förmige Struktur auf. Simulationsrechnungen zufolge sind solche Ausformungen zu erwarten, wenn in engen Systemen von aktiven Galaxienkernen die Jets mit der Akkretionsscheibe des Nachbarn in Wechselwirkung treten. Sie werden auch als präzedierende Jets bezeichnet. Dieser Zusammenhang ließ sich nun erstmals mit Sicherheit beobachten.

Damit ist die Entdeckung des Dreifachsystems bei einer Rotverschiebung von z = 0,39, die einer Lichtlaufzeit von mehr als vier Milliarden Jahren entspricht, nicht nur ein Entfernungsrekord für ein so enges System, sondern könnte auch wegweisend für die zukünftige Suche nach Zeugen von vergangenen Verschmelzungsvorgängen auf galaktischen Skalen sein. Obwohl mit dem aktuellen Fund erst fünf Dreifachsysteme dieser Art bekannt sind, gehen die Forscher davon aus, dass diese häufig sein sollten. Hochauflösende Beobachtungen im Radiobereich, wie sie auch mit dem SKA (Square Kilometer Array) möglich sein werden, und das Aufspüren der "S"-förmigen Jets, die auf enge Doppelsysteme von aktiven Galaxienkernen hindeuten, könnten höchst effektive Methoden zur Suche sein.

Diese bislang nur selten beobachteten Mehrfachsysteme von Schwarzen Löchern sind nicht nur wichtig, um zu verstehen, wie sich Galaxien entwickeln, sondern spielen auch bei der Erzeugung von Gravitationswellen eine bedeutende Rolle. Es sind unter anderem genau diese Systeme, in denen enorme Massen beschleunigt werden, und die als Quellen für niederfrequente Gravitationswellen im Nano- bis Mikrohertzbereich in Frage kommen. Somit wären sicherere Abschätzungen über ihre tatsächliche Anzahl für die Konzeption zukünftiger Projekte zur direkten Messung von Gravitationswellen entscheidend.

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