Astrophysik – Galaktisches Schwergewicht

Eine Analyse der Geschwindigkeiten von Millionen von Sternen in der zentralen Galaxie des „Abell 85“-Galaxienhaufens hat zu der Entdeckung eines extrem massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie geführt – es ist 40 Milliarden Mal schwerer als unsere Sonne.

Astronomen an der Universitätssternwarte München (USM) und am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) analysierten hierfür neue photometrische Daten des Wendelstein Observatoriums sowie neue hochauflösende, spektrale Beobachtungen mit MUSE-Instrument am Very Large Telescope (VLT). Es ist das massereichste Schwarze Loch, das jemals direkt aufgrund der Bewegung von Sternen bestimmt wurde.

Obwohl allein die Sterne in der Zentralgalaxie des Galaxienhaufens Abell 85 zusammengenommen die enorme Masse von mehr als zwei Billionen (1012) Sonnenmassen haben (eine der größten Sternenansammlungen überhaupt), ist das Zentrum der Galaxie extrem diffus und lichtschwach.

Ein gemeinsames Team von Astronomen der Universitäts-Sternwarte München (USM) und des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik wollte deshalb einen genaueren Blick auf diese Galaxie werfen. Die zentrale diffuse Region der Galaxie hat eine enorme Ausdehnung, vergleichbar mit der der Großen Magellanschen Wolke; dies brachte die Wissenschaftler auf die Idee, dass sich hier ein schwarzes Loch mit einer ungewöhnlich großen Masse verbirgt.

Der Galaxienhaufen Abell 85, der aus mehr als 500 einzelnen Galaxien besteht, befindet sich in einer Entfernung von 700 Millionen Lichtjahren von der Erde und ist damit doppelt so weit entfernt wie irgendeine andere Galaxie, in der bis jetzt die Masse eines Schwarzen Lochs direkt gemessen wurde.

„Es gibt nur wenige Dutzend direkte Massenbestimmungen supermassereicher Schwarzer Löcher – und noch nie zuvor ist es in einer solch großen Entfernung gelungen“, erklärt 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 USM Wendelstein-Observatorium der LMU und mit dem MUSE-Instrument am VLT gewonnen wurden, ermöglichten es dem Team, eine Massenabschätzung durchzuführen, die direkt auf den kollektiven Bewegungen der Sterne um den Kern der Galaxie basiert. Mit einer Masse von 40 Milliarden Sonnenmassen ist dies das massereichste Schwarze Loch, das derzeit im lokalen Universum bekannt ist. „Es ist um ein Vielfaches größer, als man es aufgrund indirekter Messungen, wie der Sternmasse oder der Geschwindigkeitsdispersion der Galaxie, erwarten würde“, sagt Roberto Saglia, Co-Autor der Studie.

Die Messungen der Galaxie zeigen 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“, erklärt USM-Doktorand Kianusch Mehrgan, der die Datenanalyse durchführte. „Das bedeutet, dass die meisten Sterne aufgrund von Interaktionen bei vorangegangenen Verschmelzungen von schwarzen Löchern aus dem Zentrum geschleudert worden sein müssen.“

Nach gängiger Auffassung entstehen diese diffusen Kerne in den größten elliptischen Galaxien, weil die Sterne aus dem Zentrum „herausgefegt“ werden. Bei der Verschmelzung von zwei Galaxien bilden deren schwarze Löcher zunächst ein Paar, bevor sie schließlich auch verschmelzen. Sterne auf Flugbahnen, die in die Nähe der beiden schwarzen Löcher führen, werden durch gravitative Wechselwirkungen aus dem Zentrum der Restgalaxie herausgeschleudert. Ist im Zentrum der Galaxie kein Gas mehr vorhanden, um neue Sterne zu bilden (wie das in jüngeren Galaxien der Fall wäre), führt dies dazu, dass der Kern immer diffuser und ärmer an Sternen wird.

„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 die Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem Schwarzen-Loch-Paar; die wesentliche Komponente sind aber zwei elliptische Galaxien, die bereits diffuse Kerne haben. Die Form des Lichtprofils und die Flugbahnen der Sterne sind sehr wertvolle archäologische Informationen und verraten uns, wie sich der Kern in dieser Galaxie gebildet hat – dies lässt sich auch auf andere sehr massereiche Galaxien übertragen.“

Selbst vor dem Hintergrund dieser ungewöhnlichen Entstehungsgeschichte in einer Kette von Verschmelzungen konnten die Wissenschaftler eine neue und robuste Beziehung zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der Oberflächenhelligkeit der Galaxie 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 entfernteren Galaxien nutzen, bei denen direkte Messungen der Bewegung der Sterne nahe am Schwarzen Loch nicht möglich sind.

Jens Thomas
MPI für Extraterrestrische Physik / Universitäts-Sternwarte München
Tel: +49 (0)89 30000-3714
E-Mail: jthomas@mpe.mpg.de

Roberto Saglia
MPI für Extraterrestrische Physik / Universitäts-Sternwarte München
Tel: +49 (0)89 30000- 3916
E-Mail: saglia@mpe.mpg.de

A 40-billion solar mass black hole in the extreme core of Holm 15A, the central galaxy of Abell 85
K. Mehrgan, J. Thomas, R. Saglia et al.
Accepted for publication by ApJ