Astronomen finden Paare von Schwarzen Löchern in den Zentren der fusionierenden Galaxien.

Zum ersten Mal hat ein Team von Astronomen mehrere Galaxienpaare in der Endphase des Zusammenwachsens zu einzelnen, größeren Galaxien beobachtet. Das Forschungsteam blickte durch dicke Gas- und Staubwände, die die unordentlichen Kerne der fusionierenden Galaxien umgaben, und fing Paare supermassiver schwarzer Löcher ein – von denen jedes einst das Zentrum einer der beiden ursprünglichen kleineren Galaxien einnahm -, die sich näher zusammenfügen, bevor sie zu einem riesigen schwarzen Loch verschmolzen.

Unter der Leitung von Alumnus Michael Koss (M.S. ’07, Ph.D. ’11, Astronomie), einem Forschungswissenschaftler bei Eureka Scientific, Inc. mit Beiträgen von UMD-Astronomen, untersuchte das Team Hunderte von nahegelegenen Galaxien mit Bildern vom W.M. Keck Observatorium auf Hawaii und dem Hubble Space Telescope der NASA. Die Hubble-Beobachtungen repräsentieren mehr als 20 Jahre lang Bilder aus dem umfangreichen Archiv des Teleskops. Das Team beschrieb ihre Ergebnisse in einem Forschungspapier, das am 8. November 2018 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

„Es war ziemlich erstaunlich, die Paare von zusammenwachsenden Galaxienkernen zu sehen, die mit diesen riesigen schwarzen Löchern verbunden sind, die so nah beieinander liegen“, sagte Koss. „In unserem Arbeitszimmer sehen wir zwei Galaxienkerne, gleich als die Bilder aufgenommen wurden. Man kann nicht dagegen ankämpfen; es ist ein sehr „sauberes“ Ergebnis, das nicht auf Interpretation angewiesen ist.“

Die hochauflösenden Bilder bieten auch eine Nahvorschau auf ein Phänomen, von dem Astronomen vermuten, dass es im frühen Universum, als Galaxienfusionen häufiger stattfanden, häufiger vorkam. Wenn die Schwarzen Löcher schließlich kollidieren, werden sie mächtige Energie in Form von Gravitationswellen freisetzen – Rippen in der Raumzeit, die kürzlich zum ersten Mal von den beiden Detektoren des Laser Interferometers Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) entdeckt wurden.

Die Bilder lassen auch erahnen, was wahrscheinlich in ein paar Milliarden Jahren passieren wird, wenn unsere Milchstraßengalaxie mit der benachbarten Andromedagalaxie verschmilzt. Beide Galaxien beherbergen supermassive schwarze Löcher in ihrem Zentrum, die schließlich zusammenbrechen und zu einem größeren schwarzen Loch verschmelzen werden.

Das Team wurde von einem Hubble-Bild von zwei interagierenden Galaxien inspiriert, die zusammen NGC 6240 genannt wurden und später als Prototyp für die Studie dienten. Das Team suchte zunächst nach visuell verdeckten, aktiven Schwarzen Löchern, indem es Röntgendaten des Burst Alert Telescope (BAT) an Bord des Neil Gehrels Swift Observatory der NASA durchsuchte.

„Der Vorteil der Verwendung von Swift’s BAT ist, dass es hochenergetische, „harte“ Röntgenstrahlen beobachtet“, sagt Studienko-Autor Richard Mushotzky, Professor für Astronomie an der UMD und Fellow des Joint Space-Science Institute (JSI). „Diese Röntgenstrahlen dringen durch die dicken Wolken aus Staub und Gas, die aktive Galaxien umgeben, und ermöglichen es den BVT, Dinge zu sehen, die in anderen Wellenlängen buchstäblich unsichtbar sind.“

Die Forscher durchsuchten dann das Hubble-Archiv und fanden die fusionierenden Galaxien, die sie in den Röntgendaten entdeckten. Anschließend nutzten sie das superscharfe Nahinfrarot-Sehen des Keck-Teleskops, um eine größere Probe der röntgenerzeugenden Schwarzen Löcher zu beobachten, die nicht im Hubble-Archiv zu finden waren.

Das Team zielte auf Galaxien, die durchschnittlich 330 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt waren und kosmisch gesehen relativ nahe beieinander lagen. Viele der Galaxien sind ähnlich groß wie die Milchstraße und die Andromedagalaxien. Insgesamt analysierte das Team 96 Galaxien, die mit dem Keck-Teleskop beobachtet wurden, und 385 Galaxien aus dem Hubble-Archiv.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehr als 17 Prozent dieser Galaxien ein Paar schwarzer Löcher in ihrem Zentrum beherbergen, die in den späten Phasen der Spirale immer enger zusammengefügt sind, bevor sie zu einem einzigen, ultra-massiven schwarzen Loch verschmelzen. Die Forscher waren überrascht, einen so hohen Anteil an Fusionen im Spätstadium zu finden, da die meisten Simulationen darauf hindeuten, dass Schwarzlochpaare sehr wenig Zeit in dieser Phase verbringen.

Um ihre Ergebnisse zu überprüfen, verglichen die Forscher die Erhebungsgalaxien mit einer Kontrollgruppe von 176 anderen Galaxien aus dem Hubble-Archiv, denen es an aktiv wachsenden schwarzen Löchern mangelt. In dieser Gruppe stand nur etwa ein Prozent der untersuchten Galaxien im Verdacht, in den späteren Stadien des Zusammenwachsens Schwarze Löcher zu beherbergen.

Dieser letzte Schritt half den Forschern zu bestätigen, dass die leuchtenden galaktischen Kerne, die in ihrer Volkszählung staubiger interagierender Galaxien gefunden wurden, tatsächlich eine Signatur für schnell wachsende Schwarzlochpaare sind, die auf eine Kollision zusteuern. Nach Ansicht der Forscher steht dieser Befund im Einklang mit theoretischen Vorhersagen, wurde aber bisher nicht durch direkte Beobachtungen verifiziert.

„Die Leute hatten schon einmal Studien durchgeführt, um nach diesen eng zusammenwirkenden Schwarzen Löchern zu suchen, aber was diese spezielle Studie wirklich ermöglichte, waren die Röntgenstrahlen, die den Kokon des Staubes durchbrechen können“, erklärte Koss. „Wir haben auch etwas weiter im Universum gesucht, um ein größeres Raumvolumen zu erfassen, was uns eine größere Chance gibt, hellere, schnell wachsende schwarze Löcher zu finden.“

Es ist nicht einfach, galaktische Kerne so nah beieinander zu finden. Die meisten früheren Beobachtungen von zusammenwachsenden Galaxien haben die zusammenwachsenden schwarzen Löcher in früheren Stadien gefangen, als sie etwa 10 mal weiter entfernt waren. Das späte Stadium des Fusionsprozesses ist so schwer fassbar, weil die interagierenden Galaxien von dichtem Staub und Gas umhüllt sind, was sehr hochauflösende Beobachtungen erfordert, die durch die Wolken sehen und die beiden fusionierenden Kerne lokalisieren können.

„Computersimulationen von Galaxienzusammenbrüchen zeigen uns, dass schwarze Löcher in der Endphase von Fusionen am schnellsten wachsen, in der Nähe der Zeit, in der die schwarzen Löcher interagieren, und das ist es, was wir in unserer Umfrage gefunden haben“, sagte Laura Blecha, eine Assistenzprofessorin für Physik an der University of Florida und Co-Autorin der Studie. Blecha war Postdoc-Stipendiatin des JSI-Preises am UMD Department of Astronomy, bevor sie 2017 an die Fakultät der UF wechselte. „Die Tatsache, dass schwarze Löcher immer schneller wachsen, wenn Fusionen voranschreiten, sagt uns, dass Galaxienbegegnungen wirklich wichtig für unser Verständnis davon sind, wie diese Objekte so monströs groß geworden sind.“

Zukünftige Infrarot-Teleskope wie das mit Spannung erwartete James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, das 2021 gestartet werden soll, werden einen noch besseren Überblick über Fusionen in staubigen, stark verdunkelten Galaxien bieten. Für nahegelegene Schwarzlochpaare sollte JWST auch in der Lage sein, die Massen, Wachstumsraten und andere physikalische Parameter für jedes Schwarzloch zu messen.

„Es könnte noch andere Gegenstände geben, die wir übersehen haben. Selbst mit Hubble können viele nahegelegene Galaxien mit geringer Rotverschiebung nicht gelöst werden – die beiden Kerne verschmelzen einfach zu einem“, sagte Studienko-Autor Sylvain Veilleux, Professor für Astronomie an der UMD und JSI-Fellow. „Mit der höheren Winkelauflösung von JWST und der Empfindlichkeit gegenüber dem Infrarot, das die staubigen Kerne dieser Galaxien passieren kann, sollte die Suche nach diesen nahegelegenen Objekten einfach sein. Auch mit JWST werden wir in der Lage sein, größere Entfernungen anzustreben, um Objekte mit höherer Rotverschiebung zu sehen. Mit diesen Beobachtungen können wir beginnen, den Anteil der Objekte zu erforschen, die in den jüngsten, entferntesten Regionen des Universums verschmelzen – die ziemlich häufig sein sollten.“

Mehr Informationen:
Eine Population von leuchtenden, akkretierenden schwarzen Löchern mit versteckten Fusionen, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0652-7, https://www.nature.com/articles/s41586-018-0652-7

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