Astronomen entdecken „verrückte“ Schwarze Löcher

Überraschend verschoben: Astronomen haben einige Zwerggalaxien entdeckt, deren zentrale Schwarze Löcher nicht mittig liegen, wie bei Galaxien normalerweise üblich. Stattdessen sind die massereichen Schwarzen Löcher an den Rand ihrer Galaxien verschoben. Die Forscher vermuten, dass eine asymmetrische Verschmelzung zweier Vorgänger-Löcher diese Verschiebung verursacht hat – die freigesetzte Energie katapultierte den resultierenden Schwerkraftgiganten aus dem Galaxienzentrum.

Typischerweise liegt im Zentrum jeder Galaxie ein massereiches Schwarzes Loch – auch in unserer Milchstraße. Die enorme Schwerkraft dieser zentralen Schwarzen Löcher bildet gewissermaßen den Gravitations-Anker, um den die Galaxie rotiert. Wenn Galaxien miteinander kollidieren, kommt es nach einer Übergangsphase mit zwei oder sogar drei zentralen Schwarzen Löchern zu einer Verschmelzung der Schwerkraftgiganten – und damit einem neuen zentralen „Anker“.

In diesen Zwerggalaxien hat das Very Large Array massereiche Schwarze Löcher nachgewiesen – sie sitzen aber oft nicht im Zentrum. © Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF, DECaLS survey, CTI

Fahndung in Zwerggalaxien

Doch jetzt haben Astronomen einige Galaxien entdeckt, die diesem Standardschema zu widersprechen scheinen. Für ihre Studie hatten Amy Reines von der Montana State University und ihre Kollegen 111 nahe Zwerggalaxien mit den Radioteleskopen des Very Large Array (VLA) näher ins Visier genommen. Ihr Ziel war es, die Merkmale ihrer nur rund 400.000 Sonnenmassen schweren zentralen Schwarzen Löcher zu untersuchen.

„Indem wir diese Schwarzen Löcher und ihre Galaxien erforschen, hoffen wir, Einblicke in die Bildung und das Wachstum ähnlich kleiner Schwarzer Löcher im frühen Universum zu bekommen“, erklärt Reines. „Jüngste Simulationen sprechen dafür, dass Zwerggalaxien noch relativ ursprüngliche Schwarze Löcher enthalten müssten.“ Weil jedoch Streulicht und Staub die optische Beobachtung dieser Galaxienkerne stark behindern, versuchten die Forscher, die Radiostrahlung aktiver Schwarzer Löcher mithilfe der hochauflösenden Radioteleskope aufzuspüren.

Aus der Mitte verschoben

Das Überraschende jedoch: Die Astronomen fanden zwar tatsächlich 13 Zwerggalaxien mit aktiven Schwarzen Löchern, aber diese saßen keineswegs immer im Zentrum ihrer Heimatgalaxie. Stattdessen waren die Radiosignaturen der meisten Schwerkraftgiganten deutlich aus der erkennbaren Mitte der Zwerggalaxien verschoben – teilweise lagen sie sogar am Außenrand der Sternenansammlung.

Das Merkwürdige daran: Zwar kennen Astronomen durchaus einige Fälle von Galaxien, die zusätzlich zu ihrem zentralen Schwarzen Loch ein weiteres im Außenbereich besitzen. Auch für die Milchstraße schließen sie die Existenz solcher noch unerkannter „Nebenlöcher“ nicht aus. Doch im Falle dieser Zwerggalaxien fehlte das zentrale Schwarze Loch – sie besaßen nur die „verrückten“ Schwerkraftgiganten, wie die Beobachtungen zeigten.

Katapult-Effekt einer vergangenen Verschmelzung?

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass massereiche Schwarze Löcher bei Zwerggalaxien offenbar nicht immer im Galaxienkern liegen müssen“, sagen Reines und ihre Kollegen. „Das ist zwar eine überraschende Beobachtung, entspricht aber durchaus jüngsten Simulationen.“ Denn nach diesen sorgt bei größeren Galaxien eine Schwerkraft-Rückkopplung dafür, dass die massereichen Schwarzen Löcher mittig bleiben. Bei kleinen, massearmen Galaxien aber gilt dies nicht.

Dadurch kann ein ehemals zentrales Schwarzes Loch in solchen Zwerggalaxien längere Zeit verschoben und randständig bleiben. Als Ursache für diese Deplatzierung vermuten die Astronomen eine vorhergehende Verschmelzung zweier Vorgänger-Löcher. „Diese Verschmelzung kann Gravitationswellen erzeugen, die dem resultierenden Schwarzen Loch einen Impuls geben und es räumlich deplatzieren“, erklären die Forscher. Ein erstes Beispiel für diesen Katapult-Effekt haben Astronomen 2017 in einem fernen Quasar entdeckt.

Kein Einzelfall

Nach Ansicht der Forscher sind solche „verrückten“ Schwarzen Löcher alles andere als ein Einzelfall: „Den Simulationen zufolge könnte rund die Hälfte aller massereichen Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien in den Außenbereichen ihrer Heimatgalaxien umherwandern“, erklären die Astronomen. Weil diese Löcher aber nur schwer zu detektieren sind, konnte dies bislang nie eindeutig nachgewiesen werden.

Reines und ihr Team hoffen nun, durch weitere, großangelegte Fahndungen mit Radioteleskopen noch mehr solcher „verschobener“ Schwarzer Löcher zu finden. „Unsere Arbeit hat uns gezeigt, dass wir unsere Suche nach massereichen Schwarzen Löchern in Zwerggalaxien über ihre Zentren hinaus ausweiten müssen“, sagt Reines. „Das könnte uns helfen, ein vollständigeres Bild ihrer Population zu gewinnen.“ (American Astronomical Society Meeting 2020; Astrophysical Journal, in press)

National Radio Astronomy Observatory (NRAO)