Verwendung archivierter Teleskopdaten Zwillinge Nord, haben Astronomen das schwerste Paar supermassereicher Schwarzer Löcher gemessen, das jemals gefunden wurde. Die Verschmelzung zweier supermassereicher Schwarzer Löcher ist ein seit langem vorhergesagtes, aber nie beobachtetes Phänomen. Dieses massive Paar liefert Hinweise darauf, warum ein solches Ereignis im Universum unwahrscheinlich erscheint.
Fast jede massereiche Galaxie enthält in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, können ihre Schwarzen Löcher ein Doppelsternpaar bilden, sich also in einer gebundenen Umlaufbahn zueinander befinden. Es wird vermutet, dass diese Binärpaare im Laufe der Zeit dazu bestimmt sind, zu verschmelzen, was jedoch nie beobachtet wurde. Die Frage, ob ein solches Ereignis möglich ist, wird unter Astronomen seit Jahrzehnten diskutiert.
Astronomen nutzten Daten des Gemini North-Teleskops auf Hawaii, das eine Hälfte des Gemini International Observatory ist, das vom NOIRLab des National Institute of Physics betrieben wird, um das supermassive binäre Schwarze Loch in der elliptischen Galaxie B2 0402+379 zu analysieren. Es ist das einzige supermassive binäre Schwarze Loch, das so detailliert beobachtet wurde, dass man beide Objekte getrennt sehen konnte, und es hält den Rekord für die kürzeste direkt gemessene Entfernung, nämlich nur 24 Lichtjahre. Während ein so geringer Abstand auf eine starke Verschmelzung hindeutet, ergaben weitere Untersuchungen, dass das Paar seit über drei Milliarden Jahren in diesem Abstand feststeckt, was die Frage aufwirft: Was ist der Grund für die Verzögerung?
Um die Dynamik dieses Systems und seine ins Stocken geratene Fusion besser zu verstehen, griff das Team auf Archivdaten des Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS) zurück, die es ihnen ermöglichten, die Geschwindigkeiten von Sternen in der Nähe von Schwarzen Löchern zu bestimmen.
„Die bemerkenswerte Empfindlichkeit von GMOS ermöglichte es uns, die Zunahme der Geschwindigkeit von Sternen zu kartieren, wenn sie sich dem Zentrum der Galaxie nähern“, sagte Roger Romani, Professor für Physik an der Stanford University und Mitautor der Arbeit. „Dank dessen konnten wir Rückschlüsse auf die Gesamtmasse der dort vorhandenen Schwarzen Löcher ziehen.“
Das Team schätzt, dass die Masse des binären Schwarzen Lochs 28 Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, was das Paar zum schwersten jemals gemessenen binären Schwarzen Loch macht. Diese Messung liefert nicht nur einen wertvollen Kontext für die Entstehung des Doppelsternsystems und die Geschichte seiner Heimatgalaxie, sondern bestätigt auch die seit langem bestehende Theorie, dass die Masse eines supermassereichen binären Schwarzen Lochs eine Schlüsselrolle bei der Verhinderung einer möglichen Verschmelzung spielt.
„Das Datenarchiv des Gemini International Observatory enthält eine Goldgrube unerschlossener wissenschaftlicher Entdeckungen“, sagte Martin Still, NSF-Programmdirektor des Gemini International Observatory. „Die Messung der Masse dieses supermassiven binären Schwarzen Lochs ist ein eindrucksvolles Beispiel für die möglichen Auswirkungen neuer Forschungsergebnisse zur Untersuchung dieses reichhaltigen Archivs.“
Wenn man versteht, wie sich dieses Doppelgalaxiensystem gebildet hat, kann man vorhersagen, ob und wann es verschmelzen wird – mehrere Hinweise deuten darauf hin, dass das Paar aus der Verschmelzung mehrerer Galaxien entstanden ist. Erstens ist B2 0402+379 ein „fossiler Haufen“, also das Ergebnis der Verschmelzung von Sternen und Gas eines ganzen Galaxienhaufens zu einer massereichen Galaxie. Darüber hinaus lässt das Vorhandensein zweier supermassereicher Schwarzer Löcher in Kombination mit ihrer großen Gesamtmasse darauf schließen, dass sie aus der Verschmelzung mehrerer kleinerer Schwarzer Löcher aus verschiedenen Galaxien entstanden sind.
Nach einer galaktischen Verschmelzung kollidieren supermassereiche Schwarze Löcher nicht frontal. Stattdessen fliegen sie aneinander vorbei und erreichen eine begrenzte Umlaufbahn. Bei jedem Durchgang wird Energie von den Schwarzen Löchern auf die umgebenden Sterne übertragen. Unter Verlust von Energie wird das Paar immer näher zusammengezogen, bis es Lichtjahre voneinander entfernt ist, wo die Gravitationsstrahlung die Oberhand gewinnt und sie verschmelzen. Dieser Prozess wurde direkt in Paaren von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse beobachtet – der erste Fall wurde 2015 dank der Entdeckung von Gravitationswellen aufgezeichnet –, wurde jedoch noch nie in binären supermassereichen Systemen beobachtet.
Aufgrund neuer Erkenntnisse über die extrem große Masse des Systems kam das Team zu dem Schluss, dass eine extrem große Anzahl von Sternen erforderlich wäre, um die Umlaufbahn des Doppelsternsystems ausreichend zu verlangsamen und sie näher zusammenzubringen. Dabei scheinen Schwarze Löcher fast die gesamte Materie um sie herum ausgestoßen zu haben, sodass der galaktische Kern frei von Sternen und Gas ist. Da kein Material mehr vorhanden war, um die Umlaufbahn des Paares weiter zu verlangsamen, geriet ihre Fusion in der Endphase ins Stocken.
„Galaxien mit leichteren Schwarzlochpaaren scheinen normalerweise genug Sterne und Masse zu haben, um schnell zu konvergieren“, sagt Romani. „Da dieses Paar so schwer ist, braucht es eine Menge Sterne und Gas, um seine Aufgabe zu erfüllen. Aber der Doppelstern hat die Zentralgalaxie von dieser Materie befreit und sie eingefroren und für unsere Studie verfügbar gemacht.“
Ob sie die Stagnation überwinden und schließlich in Millionen von Jahren verschmelzen oder für immer in der Schwebe der Umlaufbahn bleiben, bleibt abzuwarten. Wenn sie verschmelzen, werden die resultierenden Gravitationswellen 100 Millionen Mal stärker sein als diejenigen, die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit Sternmasse erzeugt werden.
Es ist möglich, dass das Paar diese letzte Distanz durch eine weitere galaktische Verschmelzung überwinden könnte, die zusätzliches Material in das System einatmen würde, oder vielleicht durch ein drittes Schwarzes Loch, um die Umlaufbahn des Paares so weit zu verlangsamen, dass es verschmelzen kann. Angesichts des Status von B2 0402+379 als Fossilienhaufen ist eine neue Galaxienverschmelzung jedoch unwahrscheinlich.
„Wir freuen uns auf weitere Studien des Kerns von B2 0402+379, bei denen wir sehen werden, wie viel Gas darin enthalten ist“, sagte Tirth Surti, ein Stanford-Doktorand und Hauptautor der Arbeit. „Dies wird uns mehr Erkenntnisse darüber geben, ob supermassereiche Schwarze Löcher im Laufe der Zeit verschmelzen können oder ob sie als Doppelsystem bestehen bleiben.“
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