Erstmals drei Schwarze Löcher in einer jungen Galaxie entdeckt

Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik hat in der Galaxie J0148-4214 drei aktiv akkretierende supermassereiche Schwarze Löcher identifiziert. Die Galaxie liegt mehr als 12,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt bei einer Rotverschiebung von z = 5,02. Somit sehen wir sie also, wie sie rund 1,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall aussah. Grundlage der Studie sind räumlich aufgelöster Spektren des Nah­infra­rot-Spek­tro­gra­fen im Inte­gral-Field-Unit Modus (NIRSpec-IFS) an Bord des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops (JWST).

Karte der weit ent­fern­ten Gala­xie J0148-4214 in ioni­sier­tem Wasser­stoff (Hα). Die Posi­tio­nen der drei masse­rei­chen Schwar­zen Löcher sind durch schwarze Kreise ge­kenn­zeich­net (nicht maß­stabs­ge­treu). Das masse­reichs­te und das am wenigs­ten mas­se­rei­che be­fin­den sich im Zen­trum der Gala­xie; ein drit­tes befin­det sich am Rand der Gala­xie (rechts oben).

Quelle: Hannah Übler, MPE

„Dies ist der erste Nachweis von drei aktiven Schwarzen Löchern in einer einzigen Galaxie im fernen Universum“, sagt Hannah Übler, Forschungsgruppenleiterin am MPE und Erstautorin der Studie. Zwei der Schwarzen Löcher befinden sich nah beieinander im galaktischen Zentrum, in Projektion nur etwa 620 Lichtjahre voneinander entfernt. Ein drittes Schwarzes Loch liegt im äußeren Bereich der Galaxie, rund 5.500 Lichtjahre vom Zentrum entfernt.

„Das legt nahe, dass Prozesse im frühen Universum massive Schwarze Löcher effizient zusammenbringen konnten und damit die Voraussetzungen für die Verschmelzungen massereicher Schwarzer Löcher schufen, die mit zukünftigen Gravitationswellenobservatorien nachgewiesen werden können“, sagt Übler.

Die Forschenden identifizierten die Schwarzen Löcher anhand ihres spektralen Fingerabdrucks: charakteristischer Signaturen von Wasserstoffatomen, die sich im Gravitationsfeld der Schwarzen Löcher mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Im zentralen Bereich zeigt das Spektrum eine komplexe Struktur, die sich am besten durch zwei eng benachbarte Schwarze Löcher erklären lässt. Um diese beiden Quellen voneinander zu trennen, nutzte das Team Spektroastrometrie, eine Methode, mit der sich kleinste räumliche Verschiebungen der Emissionslinien über die Galaxie hinweg präzise messen lassen. So konnten die Positionen der Schwarzen Löcher bestimmt werden, obwohl sie sich nicht als getrennte Punktquellen auflösen lassen. Ein drittes Schwarzes Loch wurde im äußeren Bereich der Galaxie nachgewiesen.

Auch alternative Erklärungen wie Supernovae, Schocks, Sternwinde oder sehr massereiche Sterne wurden geprüft, konnten aber anhand weiterer spektraler Merkmale ausgeschlossen werden.

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Simuliertes Verschmelzen

Die Analyse ergibt Schwarze-Loch-Massen von etwa 80 Millionen, 0,6 Millionen und 2 Millionen Sonnenmassen. Bemerkenswert ist, dass das massereichste Schwarze Loch mit geringerer Rate wächst als das nahe gelegene Schwarze Loch mit 0,6 Millionen Sonnenmassen, das aktiv Materie aufnimmt und dabei sogar die nach gängigen Modellen erwartete maximale Akkretionsrate überschreitet, die Eddington-Grenze.

„Die JWST-Daten erlaubten es uns nicht nur, die drei Schwarzen Löcher zu identifizieren, sondern auch ihre Massen, Akkretionsraten und die Sternmasse der Galaxie abzuschätzen“, sagt Giovanni Mazzolari, Zweitautor der Studie und Forscher am MPE. „Wir finden eine gesamte Sternmasse von etwa 1,3 Milliarden Sonnenmassen, und die Schwarzen Löcher machen davon einen erheblichen Anteil aus.“

Das zentrale Paar der Schwarzen Löcher dürfte innerhalb der nächsten wenigen hundert Millionen Jahre miteinander verschmelzen. „Diese Ergebnisse sind außerordentlich spannend“, ergänzt Roberto Maiolino, Professor an der University of Cambridge und Co-Autor der Studie. „Sie legen nahe, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern im frühen Universum ein zusätzlicher, schneller Weg für ihr rasches Wachstum gewesen sein könnten.“

Das dritte Schwarze Loch im Außenbereich der Galaxie könnte das Überbleibsel einer früheren Verschmelzung sein und durch einen gravitativen Rückstoß aus dem Zentrum herausgeschleudert worden sein oder derzeit in Richtung Zentrum wandern.

Die Beobachtungen zeigen, dass bildgebende Spektroskopie ein wichtiges Werkzeug ist, um in sehr weit entfernten Galaxien mehrere aktive Schwarze Löcher zu identifizieren. Ohne die räumlich aufgelösten Informationen von NIRSpec-IFS wäre wahrscheinlich nur eines der drei Schwarzen Löcher entdeckt worden.

Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse zum Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher und ihrer Wirtsgalaxien. Sie stützen die Annahme, dass Verschmelzungen und Wechselwirkungen im frühen Universum eine wichtige Rolle gespielt haben. Zugleich liefert das System einen möglichen Vorläufer späterer Verschmelzungen, die für künftige Gravitationswellenobservatorien wie LISA von Interesse sind. [MPE / dre]