Doppeltes supermassives Schwarzes Loch

Nach den heutigen Vorstellungen der Astrophysiker entstehen große Galaxien sukzessive durch die Kollision und Verschmelzung kleinerer Sternsysteme. Damit wachsen zugleich auch die schwarzen Löcher an, die sich in den Zentren der Galaxien befinden: Sie bilden im Zuge der Verschmelzung ein Doppelsystem mit langsam enger werdenden Umlaufbahnen und verschmelzen schließlich ebenfalls. Für die Evolution der Umlaufbahnen eines solchen doppelten schwarzen Lochs spielen zwei Prozesse eine Rolle. Zunächst wirft das System Sterne aus seiner Umgebung heraus und verliert dadurch Drehimpuls. Je enger die Bahnen werden, desto stärker kommt der zweite Effekt ins Spiel, die Abnahme der Bahnenergie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen.

Den größten Teil ihrer Lebensdauer sollte ein Doppelsystem aus supermassereichen schwarzen Löchern in der Übergangszeit zwischen beiden Prozessen verbringen, bei Abständen zwischen einem Hundertstel Lichtjahr und einigen wenigen Lichtjahren. Solche kleinen Abstände lassen sich jedoch mit direkten Beobachtungen in kosmologischen Entfernungen nicht auflösen. Matthew Graham vom Caltech und seine Kollegen haben deshalb einen anderen Weg beschritten, um nach solchen engen Paaren zu suchen: Sie sollten sich, so argumentieren die Forscher, durch ein periodische Änderung ihrer Helligkeit verraten.

Mithilfe eines neuen statistischen Verfahrens durchforstete das Team die vom Catalina Real-time Transient Survey über einen Zeitraum von neun Jahren gelieferten Daten von 247.000 Quasaren. Insgesamt 20 Objekte erfüllten die von Graham und Kollegen gesetzten Auswahlkriterien für ein starkes periodisches Signal. Das stärkste Signal fanden die Forscher bei PG 1302-102, einem Quasar mit einer Rotverschiebung von 0,2784, entsprechend einer Lichtlaufzeit von 3,2 Milliarden Jahren. Das Objekt zeigt eine Variabilität mit einer Periode von 1884 ± 88 Tagen.

Graham und sein Team berechnet daraus eine Gesamtmasse von etwa 300 Millionen Sonnenmassen für das Doppelsystem bei einem Abstand von maximal 0,03 Lichtjahren. Die Forscher überprüfen mehrere andere Erklärungsmöglichkeiten für die beobachtete Periodizität, kommen aber zu dem Schluss, dass ein doppeltes schwarzes Loch die plausibelste Option ist: Die anderen Szenarios liefern entweder eine unrealistisch hohe Masse für ein einzelnes Schwarzes Loch oder eine mit den Beobachtungen nicht kompatible Form der Lichtkurve.

Graham und seine Kollegen hoffen, mit weiteren Beobachtungen, insbesondere einem Vergleich der Variationen in den Emissionslinien und in der Kontinuumsstrahlung, ihre Interpretation zu stärken. Das Team weist außerdem darauf hin, das PG 1302-102 aufgrund seiner relativen Nähe im Vergleich zu anderen Quasaren eine signifikante Quelle niederfrequenter Gravitationswellen ist, wie sie mit einem Pulsar Timing Array oder einem weltraumgestützten Detektor wie der geplanten eLISA-Mission nachweisbar wären.

Rainer Kayser

RK