Wissen : Die Schwerkraftmonster

So leicht ist es doch nicht: Supermassive Schwarze Löcher geben Astronomen Rätsel auf

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Dicke Beule. Die „Sombrero-Galaxie“ M104 zeigt eine deutliche Verdickung im Zentrum („Bulge“). Foto: Nasa/Esa
Dicke Beule. Die „Sombrero-Galaxie“ M104 zeigt eine deutliche Verdickung im Zentrum („Bulge“). Foto: Nasa/Esa

Sie lauern überall: Schwarze Löcher, die aufregendsten und rätselhaftesten Objekte im Kosmos. Im Herzen nahezu jeder Galaxie scheint es ein großes Schwarzes Loch zu geben – Schwerkraftmonster mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse unserer Sonne. Aktuelle Forschungsergebnisse machen das Rätsel nur noch größer. Zeigen sie doch, dass die Theorien über die Entwicklung der supermassiven Schwarzen Löcher große Lücken aufweisen.

Eine Säule dieser Theorien ist der vielfach beobachtete Zusammenhang zwischen der Masse der zentralen Verdickung einer Galaxie – „Bulge“ genannt – und der Masse des Schwarzen Lochs in ihrem Kern. Je größer der Bulge, desto massereicher das Schwarze Loch. Diese Beziehung spricht dafür, dass Bulge und Schwarzes Loch in ihrer Entwicklung miteinander verbunden sind.

Doch das einfache Modell bekam jetzt einen Dämpfer, als Astronomen von der Universität Virginia die Zwerggalaxie „Henize 2-10“ näher anschauten. Sie hat einen Durchmesser von nur 3000 Lichtjahren und besitzt keinen Bulge. Deshalb hatten die Forscher kein besonders großes Schwarzes Loch in der Galaxie erwartet. Tatsächlich fanden sie aber eines mit der millionenfachen Masse der Sonne.

John Kormendy von der Universität Texas und Ralf Bender vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching haben daraufhin mehrere Galaxien ohne Bulge studiert. Sie wollten wissen, ob die zentralen Schwarzen Löcher womöglich auf andere Eigenschaften der Sternsysteme verweisen. Aber auch hier: Fehlanzeige. Die Masse der Schwarzen Löcher zeigt weder eine Korrelation mit der Masse der Galaxienscheibe, noch mit dem „Pseudobulge“, einer Sternenansammlung im Zentrum der Galaxienscheibe, und auch keinerlei Zusammenhang mit der Masse des Halos aus Dunkler Materie, in die eine Galaxie eingebettet ist. Das berichten sie im Fachblatt „Nature“ (Band 469, Seiten 374 und 377).

In der Entwicklung der Galaxien spielen Kollisionen und Verschmelzungen eine wichtige Rolle. In den bisherigen theoretischen Modellen werden bei Galaxienverschmelzungen in den Bulges neue Sterne gebildet. Die Strahlung der jungen Sterne wiederum treibt Materie in die zentralen Schwarzen Löcher und fördert so deren Wachstum. Umgekehrt bremst die beim Materieeinfall in die Schwarzen Löcher freigesetzte Strahlung dann wieder die Sternentstehung in den Bulges und führt schließlich dazu, dass der Materienachschub verebbt. Für Galaxien ohne Bulge scheint es keinen derartigen großräumigen Rückkopplungsprozess zu geben, folgern Kormendy und Bender. Sie vermuten, dass Schwarze Löcher in solchen Galaxien langsam durch lokale und zufällige Prozesse wachsen.

Für den Astrophysiker James Peebles wirft diese Vorstellung die Frage auf, warum Galaxien sich überhaupt derart unterschiedlich entwickeln. In einem Kommentar verweist er beispielhaft auf unsere Milchstraße und ihre Nachbarin, die Andromeda-Galaxie M31 („Nature“, Band 469, Seite 305). Beide haben einen vergleichbaren Halo aus Dunkler Materie. Aber während M31 einen ausgeprägten Bulge zeigt und ein Schwarzes Loch mit der 100-millionenfachen Sonnenmasse, hat die Milchstraße keinen Bulge und ein zentrales Schwarzes Loch mit „nur“ vier Millionen Sonnenmassen.

Warum sind die zwei Systeme so unterschiedlich, obwohl sie unter ähnlichen Bedingungen entstanden sind? „Ich würde die Möglichkeit nicht ignorieren“, schreibt Peebles nicht ohne Ironie, „dass das kosmologische Modell eine Feinabstimmung benötigt, um ein relativ kleines Detail zu berücksichtigen – die Galaxien.“

Auch auf die Frage, wie die supermassiven Schwarzen Löcher überhaupt entstanden sind, gibt es bisher keine befriedigende Antwort. Was war zuerst da, Schwarze Löcher oder kleine Protogalaxien? Bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gab es Schwarze Löcher mit der milliardenfachen Sonnenmasse, zeigen Beobachtungen ferner Quasare. Damit werden extrem helle Strahlungsquellen im Zentrum von Galaxien bezeichnet, die von Schwarzen Löchern angetrieben werden. Aber wie konnten diese Schwerkraftmonster so schnell entstehen?

Im August hatten Lucio Mayer von der Universität Zürich und seine Kollegen mit Computersimulationen demonstriert, wie sich beim Zusammenstoß von Protogalaxien extrem massereiche Gasscheiben bilden, die sehr instabil sind. Spiralförmige Strömungen führen dort innerhalb von 100 000 Jahren über 100 Millionen Sonnenmassen an Gas ins Zentrum der Scheibe. Der Kern der dichten Gaswolke bildet dann einen „Superstern“, der sich rasant entwickelt und in einem finalen Kernkollaps ein massereiches Schwarzes Loch produziert.

Allerdings funktioniert das Szenario wieder nur für große Galaxien. Eine Erklärung für die massereichen Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien konnte Mayer auch nicht liefern. Die Astronomen setzen ihre Hoffnungen nun auf künftige Instrumente wie das „James-Webb“-Teleskop oder der im All geplante Gravitationswellendetektor „Lisa“. Vielleicht können sie damit die Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher direkt beobachten.

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