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Missing Link im Stammbaum von kosmischen Schwarzen Löchern

Erstellt von: Dr. Norbert Junkes | | Max-Planck-Institut

Der Nachweis eines Schwarzen Lochs inmitten eines Spiralarms der Galaxie NGC 2276 gibt einen wichtigen Hinweis zum Auffüllen einer Lücke in der Entwicklungsgeschichte von Schwarzen Löchern. Die Entdeckung gelang einem Forscherteam unter der Leitung von Mar Mezcua vom Harvard Zentrum für Astrophysik in Boston, zu dem auch Andrei Lobanov vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie gehört. Durch nahezu gleichzeitige Beobachtungen von Radiostrahlung mit dem Europäischen VLBI-Netzwerk EVN und von Röntgenstrahlung mit dem Chandra-Weltraumobservatorium der NASA wurde das Objekt mit dem Namen NGC 2276-3c identifiziert. Die Kombination von Radio- und Röntgenmessungen ermöglicht den Wissenschaftlern das „Abwiegen“ des Schwarzen Lochs mit dem Ergebnis, dass es ca. 50000mal massereicher ist als die Sonne. Mit dieser Masse füllt es eine Lücke zwischen stellaren Schwarzen Löchern in unserer Milchstraße und den supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren der meisten großen Galaxien. Derartige Schwarze Löcher von mittlerer Masse bilden vermutlich die Saatkörner für die Entstehung von supermassereichen Schwarzen Löchern.


Links: Optisches Bild der Galaxie NGC 2276, aufgenommen mit dem Hubble- Weltraumteleskop. Rechts: Radiostruktur der in einem Spiralarm der Galaxie neu gefundenen Quelle NGC 2276-3c. Das aus Beobachtungen mit den Teleskopen des europäischen VLBI-Netzwerks (EVN) bei hoher Auflösung erzeugte Radiobild zeigt Details auf einer Größenskala von nur wenigen Lichtjahren. nach Mezcua et al. 2015, MNRAS 448, 1893

Die neu gefundenen Quelle liegt in einem Spiralarm der Galaxie NGC 2276 in einer Entfernung von rund 100 Millionen Lichtjahren. Diese Galaxie befindet sich in Richtung des Sternbilds Kepheus, nicht weit vom Himmelsnordpol entfernt. Die Entdeckung könnte Antworten liefern auf einige seit langem bestehende Fragen zur Entwicklung von Schwarzen Löchern und ihrem Einfluss auf die jeweilige Umgebung.

“In der Paläontologie hilft die Entdeckung bestimmter Fossilien dabei, Lücken im Stammbaum der Dinosaurier zu füllen”, sagt Mar Mezcua vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die Leiterin des Forschungsprojekts. „Wir tun dasselbe in der Astronomie, aber mit dem Unterschied, dass unsere Ausgrabungen in vielen Billionen Kilometern Entfernung erfolgen.“

Es ist ein faszinierendes Objekt, dem Anschein nach das, was die Astronomen als „Schwarzes Loch von mittlerer Masse“ („Intermediate-mass Black Hole” oder IMBH) bezeichnen. Seit vielen Jahren finden die Forscher überzeugende Hinweise auf die Existenz von Schwarzen Löchern mit Massen von nur einigen Sonnenmassen („Stellare Schwarze Löcher“).  Darüber hinaus gibt es eine Menge von Informationen über sogenannte „Supermassereiche Schwarze Löcher“ in den Zentren von vielen Galaxien, deren Masse die der Sonne um das Millionen- oder sogar Milliardenfache übersteigt.

Wie der Name schon besagt, bilden die IMBHs eine Gruppe von Schwarzen Löchern, die von ihrer Masse her zwischen den beiden anderen gängigen Gruppen von Schwarzen Löchern liegen. Ein Grund für ihre Bedeutung dürfte darin liegen, dass sie mögliche Saatkörner für die Entstehung von supermassereichen Schwarzen Löchern im frühen Universum darstellen. Das Objekt  in der Galaxie NGC 2276 wäre erst das zweite IMBH, das außerhalb des Zentrums einer Galaxie nachgewiesen werden konnte.

„Die Astronomen haben sehr intensiv nach diesen Schwarzen Löchern mittlerer Masse geforscht“, erklärt Timothy Roberts von der Universität Durham in Großbritannien, ein Ko-Autor der Veröffentlichung. „Es gab schon vorher Hinweise darauf, aber die IMBHs verhalten sich wie ein lange verschollener Verwandter, der kein Interesse daran zeigt, entdeckt zu werden.“

Um mehr über dieses Objekt zu erfahren, haben die Forscher NGC 2276 nahezu gleichzeitig sowohl in Radiowellenlängen mit den europäischen EVN-Teleskopen (inklusive des 100-m-Radioteleskops Effelsberg) und in Röntgenwellenlängen mit Chandra beobachtet. Beide Teleskopsysteme haben dabei entscheidende sowie einander ergänzende Informationen beigetragen. Darüber hinaus konnte erst über die Verbindung beider Datensätze eine genaue Bestimmung der Masse des Schwarzen Lochs erfolgen, mit dem Resultat der 50000fachen Masse der Sonne.

“Diese Quelle weist Wesenszüge sowohl von stellaren als auch von supermassereichen Schwarzen Löchern auf”, sagt Andrei Lobanov vom MPIfR, ebenfalls Ko-Autor der Veröffentlichung. „Mit anderen Worten gesagt, hilft es dabei, die gesamte Familie von Schwarzen Löchern miteinander zu verbinden.“

Zusätzlich zu der Masse und der Lage innerhalb der Galaxie gibt es noch weitere interessante Eigenschaften der neu gefundenen Quelle in der Galaxie NGC 2276. Das Schwarze Loch weist einen energiereichen Jet auf, der sich bis in eine Entfernung von 2000 Lichtjahren erstreckt.

Eine Region mit fast 1000 Lichtjahren Ausdehnung  in der Nachbarschaft des Jets scheint nahezu frei von jungen Sternen. Das deutet darauf hin, dass der Jet einen Hohlraum im Gas erzeugt hat, in dem die Entstehung von neuen Sternen unterdrückt wurde. Das ist ein wichtiger Hinweis darauf, wie IMBHs ihre Umgebung beeinflussen. Die Entdeckung des Jets zeigt vielleicht auch, dass die Vorgänger von Schwarzen Löchern im frühen Universum einen starken Einfluss auf ihre Umgebung ausübten.   

„Es bleibt eine interessante offene Frage”, schließt Mar Mezcua. „Wir wollen herausfinden, ob dieses Schwarze Loch mittlerer Masse in NGC 2276 innerhalb der Galaxie entstanden ist, oder ob es durch die Verschmelzung mit einer Zwerggalaxie  in der Vergangenheit erzeugt wurde.“

Die Untersuchung von NGC 2276-3c wurde durchgeführt von Mar Mezcua (nach Abschluss ihrer Promotion in 2011 im Rahmen der IMPRS Doktorandenschule am MPIfR war sie zunächst als Postdoc am Instituto de Astrofisica de Canarias und ist nun am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Tim Roberts (University of Durham, UK), Andrei Lobanov (MPIfR) sowie Andrew Sutton (University of Durham). Die Veröffentlichung ist soeben in der Fachzeitschrift “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (MNRAS) erschienen.