Schwergewicht im Herzen von Abell 85

Astronomen finden in dem Galaxienhaufen das mit 40 Milliarden Sonnenmassen massivste schwarze Loch im nahen Universum

Im Weltall treten schwarze Löcher in unterschiedlichen Größen und Massen auf. Den Rekord hält jetzt ein Exemplar im Galaxienhaufen Abell 85. Dort sitzt inmitten der zentralen Galaxie Holm 15A ein schwarzes Loch, das 40-Milliarden-fach schwerer ist als unsere Sonne. Um dies herauszufinden, haben Forschende der Arbeitsgruppe von Ralf Bender am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und an der Universitäts-Sternwarte München fotometrische Daten sowie spektrale Beobachtungen ausgewertet.

Die Zentralgalaxie des Haufens Abell 85 ist außergewöhnlich. Allein ihre Sterne bringen es auf mehr als zwei Billionen Sonnenmassen. Dennoch erscheint das Herz dieses gigantischen Milchstraßensystems – eines der größten überhaupt – im Teleskop extrem diffus und lichtschwach. Die Erklärung hängt mit der Kollision von Galaxien zusammen: Denn diese führt zum Verschmelzen der zentralen schwarzen Löcher zu einem neuen, größeren Massemonster, wobei eine auffällig lichtarme zentrale Region entsteht. Im Fall der gewaltigen Galaxie Holm 15A ist dieser Bereich ganz besonders diffus und lichtarm. Daher vermuteten die Astronomen, dass sich darin ein schwarzes Loch mit ungewöhnlich großer Masse verbergen könnte.

Die Beobachtung versprach jedoch nicht einfach zu werden: Der Galaxienhaufen Abell 85, der mehr als 500 einzelne Galaxien enthält, befindet sich im Abstand von 700 Millionen Lichtjahren. „Es gibt nur wenige Dutzend direkte Bestimmungen supermassereicher schwarzer Löcher – und noch nie zuvor ist es in einer solch großen Entfernung gelungen“, sagt Max-Planck-Forscher Jens Thomas, der die Studie leitete. „Aber wir hatten bereits eine Ahnung von der Größe des schwarzen Lochs in dieser speziellen Galaxie, also haben wir es probiert.“

Die neuen Daten, die am Wendelstein-Observatorium der Ludwig-Maximilians-Universität München und mit dem MUSE-Instrument am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte gewonnen wurden, ermöglichten dem Team, ein schwarzes Loch in Holm 15A nachzuweisen und eine verlässliche Massenbestimmung vorzunehmen; Letztere basiert direkt auf den Bewegungen der Sterne um den Kern der Galaxie.

Das Ergebnis beeindruckt: Mit 40 Milliarden Sonnenmassen ist das schwarze Loch das massereichste, das die Astronomen derzeit im Universum kennen. „Es ist um ein Vielfaches größer, als man es aufgrund indirekter Messungen, wie der Sternmasse oder der Geschwindigkeitsverteilung der Sterne, erwarten würde“, sagt Roberto Saglia, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Dozent an der Ludwig-Maximilians-Universität.

Wie oben erwähnt, zeigen die Messungen der Galaxie Holm 15A ein extrem lichtschwaches Zentrum mit nur noch sehr wenigen Sternen. Dies ist zwar ähnlich wie in manchen anderen elliptischen Galaxien, aber sehr viel stärker ausgeprägt. „Das Lichtprofil im inneren Kern nimmt zum Zentrum hin auch nicht mehr zu“, sagt Kianusch Mehrgan. „Das bedeutet, dass die meisten Sterne aufgrund von Interaktionen bei vorangegangenen Verschmelzungen von schwarzen Löchern aus dem Zentrum geschleudert worden sein müssen“, so der Doktorand an der Ludwig-Maximilians-Universität München, der einen Teil die Datenanalyse ausführte.

Nach gängiger Auffassung entstehen diffuse Kerne in den größten elliptischen Galaxien, weil die Sterne aus dem Zentrum sprichwörtlich herausgefegt werden: Bei der Verschmelzung zweier Galaxien bilden deren schwarze Löcher zuerst ein Paar, bevor sie schließlich ebenfalls verschmelzen. Sterne auf Flugbahnen, die in die Nähe der beiden schwarzen Löcher führen, werden durch gravitative Wechselwirkungen herausgeschleudert. Ist im Zentrum der Galaxie kein Gas mehr vorhanden, um neue Sterne zu bilden, wird der Kern immer diffuser und ärmer an Sternen.

„Die neueste Generation von Computersimulationen der Verschmelzung von Galaxien lieferte uns Vorhersagen, die tatsächlich gut zu den beobachteten Eigenschaften passen“, sagt Jens Thomas, der auch die dynamischen Modelle beisteuerte. Diese Simulationen beinhalten laut dem Forscher die Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem Paar aus schwarzen Löchern.

Die wesentliche Komponente seien aber zwei elliptische Galaxien, die bereits diffuse Kerne haben. „Die Form des Lichtprofils und die Flugbahnen der Sterne beinhalten sehr wertvolle Informationen und verraten uns, wie sich der Kern in dieser Galaxie gebildet hat. Dies lässt sich auch auf andere, sehr massereiche Galaxien übertragen“, sagt Thomas.

Vor dem Hintergrund der ungewöhnlichen Entstehungsgeschichte in einer Kette von Verschmelzungen konnten die Wissenschaftler eine neue Beziehung zwischen der Masse des zentralen schwarzen Lochs und der Oberflächenhelligkeit der Galaxie Holm 15A herstellen: Mit jeder Verschmelzung gewinnt das schwarze Loch an Masse, während das Galaxienzentrum Sterne verliert. Astronomen könnten diese Beziehung für Massenabschätzungen von schwarzen Löchern in noch ferneren Galaxien nutzen, bei denen direkte Messungen der Sternenbewegungen nahe am schwarzen Loch nicht möglich sind.

HAE / HOR