Schwarzes Loch wirbelt Galaxienmodelle durcheinander

Eine Gruppe um Remco van den Bosch vom MPI für Astronomie hat ein schwarzes Loch entdeckt, das an den Grundlagen heutiger Modelle der Galaxienentwicklung rüttelt. Mit 17 Milliarden Sonnenmassen ist dieses Ungetüm deutlich schwerer als es die Modelle vorhersagen. Mehr noch: Das Objekt könnte das massereichste bisher bekannte Exemplar sein.

Untersuchungen der Massen ferner Galaxien und ihrer schwarzen Löcher haben einen interessanten Zusammenhang aufgedeckt: Danach erreicht ein schwarzes Loch typischerweise nur einen winzigen Bruchteil – etwa 0,1 Prozent – der Gesamtmasse aller Sterne, die der Muttergalaxie angehören. Diese Beziehung ist zwar nur unvollständig verstanden, spielt aber eine wichtige Rolle in allen derzeit gängigen Modellen der Galaxienentwicklung. Jetzt hat das Team um Remco van den Bosch im Rahmen einer seit 2010 laufenden systematischen Suche ein schwarzes Loch aufgespürt, das diesen allgemein akzeptierten Zusammenhang aushebeln könnte. Die Astronomen nutzten dafür Spektren vom Hobby-Eberly-Teleskop in Texas sowie archivierte Bilder des Weltraumteleskops Hubble.

Die Spektren gestatteten Rückschlüsse auf die Bewegungen der Sterne, die direkt von der Schwerkraft des schwarzen Lochs abhängen. Denn anhand spezifischer Veränderungen wie dem Dopplereffekt konnten die Astronomen etwa auf die Geschwindigkeit schließen. Dabei gilt: Je massereicher das schwarze Loch, desto schneller die Bewegung der Sterne im Herzen der Galaxie. Auf diese Weise identifizierte das Team sechs Kandidatengalaxien, die vergleichsweise klein waren und große schwarze Löcher besitzen mussten. Für eine davon, NGC 1277, waren im Archiv des Weltraumteleskops Hubble bereits detailreiche Bilder vorhanden.

Um die Masse des schwarzen Lochs zu bestimmen, erstellten van den Bosch und seine Kollegen ein dynamisches Modell der Galaxie, das alle möglichen Sternumlaufbahnen einschließt. Systematische Vergleiche von Modell und Beobachtungsdaten zeigten dann, welche Umlaufbahnen in Kombination mit welchem Massenwert für das schwarze Loch die Beobachtungen am besten erklären. Im Fall der Scheibengalaxie NGC 1277 kamen die Astronomen auf rund 17 Milliarden Sonnenmassen. Damit könnte das schwarze Loch das größte bekannte Objekt dieser Klasse sein. Die Masse des derzeitigen Rekordhalters schätzen die Forscher zwischen 6 und 37 Milliarden Sonnenmassen; liegt der wahre Wert am unteren Ende, bricht NGC 1277 diesen Rekord.

Die größte Überraschung: Die Masse der mächtigen Schwerkraftfalle macht ungefähr 14 Prozent der Gesamtmasse von NGC 1277 aus – was deutlich über den oben genannten 0,1 Prozent liegt und einen Faktor von mehr als zehn bedeutet. Mit anderen Worten: Die Astronomen hätten ein schwarzes Loch dieser Größe in einer mindestens zehnfach größeren elliptischen Galaxie erwartet – aber nicht in einer kleinen Scheibengalaxie wie NGC 1277.

Ist das eine seltene Laune der Natur, eine Ausnahme? Vorläufige Analysen weiterer Daten weisen in eine andere Richtung: Bis dato hatten Remco van den Bosch und seinen Kollegen noch fünf weitere Galaxien entdeckt, die vergleichsweise klein sind, aber dennoch ungewöhnlich massereiche zentrale schwarze Löcher beherbergen dürften. Definitiv wird sich das aber erst sagen lassen, wenn detaillierte Abbildungen dieser Sternsysteme vorliegen.

Bestätigen sich diese weiteren Fälle und gibt es in der Tat noch mehr schwarze Löcher wie das von NGC 1277, dann müssen die Astronomen ihre Modelle der Galaxienentwicklung grundlegend überdenken. Insbesondere müssen sie dabei das frühe Universum ins Auge fassen: NGC 1277 hat sich anscheinend vor mehr als acht Milliarden Jahren gebildet und seither nicht sehr verändert. Wie immer dieses gigantische schwarze Loch entstanden ist – es muss vor langer Zeit passiert sein.

MPG / OD

Over-massive black hole in compact galaxy NGC1277 from Remco van den Bosch on Vimeo.

Animation shows representative orbits of the stars in this galaxy from the dynamical model used to measure the black hole mass. The green orbit shows the orbit of the stars in the disk. The red orbit shows the strong gravitational pull near the black hole. The blue orbit is strongly influenced by the (round) dark matter halo. One second in this animation represents 22 million years of simulated time and the horizontal size of this image is 41 million lightyears (36 arcsec).
This animation has been made by Remco van den Bosch and is released under creative commons and can be freely embedded. Credit for the background Hubble Space Telescope image is NASA/ESA/Fabian/van den Bosch