Das uns nächste massereiche Schwarze Loch

Extrem schnell beweg­te Ster­ne im Stern­hau­fen Ome­ga Cen­tau­ri, die eine neue Unter­su­chung aus­fin­dig gemacht hat, zei­gen: im Zen­trum des Stern­hau­fens befin­det sich ein Schwar­zes Loch mit min­des­tens 8.200 Son­nen­mas­sen. Die Exis­tenz sol­cher Schwar­zen Löcher mitt­le­rer Mas­se galt in der Astro­no­mie zwar als aus­ge­macht. Zuver­läs­si­ge Beob­ach­tun­gen dazu hat­te es aber bis­lang nicht gege­ben. Der Fund bestä­tigt außer­dem, dass Ome­ga Cen­tau­ri die Kern­re­gi­on einer Gala­xie ist, die vor Mil­li­ar­den von Jah­ren von der Milch­stra­ße ver­schluckt wur­de. Ohne sei­ne äuße­ren Ster­ne hat sich der Gala­xien­kern seit­her so gut wie nicht wei­ter­ent­wi­ckelt. Die Stu­die wur­de in der Zeit­schrift Natu­re veröffentlicht.

Ome­ga Cen­tau­ri ist eine spek­ta­ku­lä­re Ansamm­lung von etwa zehn Mil­lio­nen Ster­nen, die in süd­li­chen Brei­ten­gra­den als Fleck am Nacht­him­mel sicht­bar ist. Durch ein klei­nes Tele­skop sieht er nicht anders aus als ande­re so genann­te Kugel­stern­hau­fen: eine kugel­för­mi­ge Ansamm­lung von Ster­nen, die zum Zen­trum hin so dicht ist, dass es unmög­lich wird, ein­zel­ne Ster­ne zu unter­schei­den. Jetzt bestä­tigt eine neue Stu­die unter der Lei­tung von Maxi­mi­li­an Häber­le (Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie), was Astronom*innen schon seit Län­ge­rem ver­mu­tet hat­ten: Ome­ga Cen­tau­ri ent­hält ein zen­tra­les Schwar­zes Loch. Das Schwar­ze Loch ist zudem eine Art „feh­len­des Bin­de­glied“ zwi­schen den am bes­ten erforsch­ten Klas­sen von Schwar­zen Löchern: den leich­ten stel­la­ren und den deut­lich schwe­re­ren super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löchern. Es befin­det sich in einem Zwi­schen­sta­di­um der Ent­wick­lung und ist deut­lich weni­ger mas­se­reich als typi­sche Schwar­ze Löcher in den Zen­tren von Gala­xien. Ome­ga Cen­tau­ri ist offen­bar der Kern einer klei­nen, sepa­ra­ten Gala­xie, deren Ent­wick­lung abrupt auf­hör­te, als sie von der Milch­stra­ße ver­schluckt wurde.

Schwarze Löcher verschiedener Masse

Die Astro­no­mie kennt für Schwar­ze Löcher unter­schied­li­che Mas­sen­be­rei­che. Stel­la­re Schwar­ze Löcher mit einer bis zu eini­gen Dut­zend Son­nen­mas­sen sind ver­gleichs­wei­se gut erforscht, eben­so wie super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher in den Zen­tren von Gala­xien, mit Mas­sen von Mil­lio­nen oder sogar Mil­li­ar­den Son­nen. Das heu­ti­ge Bild von der Ent­wick­lung der Gala­xien geht davon aus, dass die frü­hes­ten Gala­xien zen­tra­le Schwar­ze Löcher mitt­le­rer Grö­ße besa­ßen. Im Lau­fe der wei­te­ren Ent­wick­lung, als näm­lich die Gala­xien wuch­sen, indem sie sich klei­ne­re Gala­xien ein­ver­leib­ten (wie es unse­re Milch­stra­ße mehr­mals tat) oder mit grö­ße­ren Gala­xien ver­schmol­zen soll­ten auch jene Schwar­zen Löcher mehr Mas­se gewon­nen haben.

Mit­tel­gro­ße Schwar­zen Löcher sind im heu­ti­gen Uni­ver­sum noto­risch schwer zu fin­den. Gala­xien wie unse­re Milch­stra­ße sind längst „aus­ge­wach­sen“ und ent­hal­ten deut­lich mas­se­rei­che­re zen­tra­le Schwar­ze Löcher. Gala­xien, die klein geblie­ben sind („Zwerg­ga­la­xien“), sind bereits im All­ge­mei­nen schwer zu beob­ach­ten. Mit der der­zeit ver­füg­ba­ren Tech­no­lo­gie sind Beob­ach­tun­gen ihrer zen­tra­len Regio­nen, die das zen­tra­le Schwar­ze Loch in sol­chen Gala­xien nach­wei­sen könn­ten, äußerst schwie­rig. Daher gab es bis­lang zwar eini­ge viel­ver­spre­chen­de Kan­di­da­ten, aber kei­nen defi­ni­ti­ven Nach­weis eines sol­chen mit­tel­schwe­ren Schwar­zen Lochs.

Momentaufnahme der Galaxien-Evolution

Ome­ga Cen­tau­ri ist daher etwas ganz Beson­de­res. Als Kern einer ehe­mals selbst­stän­di­gen Gala­xie, die dann mit der Milch­stra­ße ver­schmolz und dabei alle Ster­ne außer jenen der Kern­re­gi­on ver­lor, wäre Ome­ga Cen­tau­ri eine Art Moment­auf­nah­me der Gala­xien-Evo­lu­ti­on. Es gäbe kei­ne wei­te­ren Ver­schmel­zun­gen und kei­ne Mög­lich­keit für das zen­tra­le Schwar­ze Loch, zu wach­sen. Das Schwar­ze Loch blie­be in der Grö­ße erhal­ten, die es hat­te, als Ome­ga Cen­tau­ri von der Milch­stra­ße ver­schluckt wur­de: als das bis­lang feh­len­de Bin­de­glied zwi­schen frü­hen mas­se­ar­men Schwar­zen Löchern und den spä­te­ren super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löchern.

Bevor man so argu­men­tie­ren kann, muss man das zen­tra­le Schwar­ze Loch in Ome­ga Cen­tau­ri aber über­haupt erst ein­mal nach­wei­sen. Bis­lang gab es zwar Hin­wei­se dar­auf aus groß­räu­mi­gen Model­len der Bewe­gung von Ster­nen in dem Hau­fen, aber die lie­ßen Raum für Zwei­fel. Mög­li­cher­wei­se gibt es gar kein zen­tra­les Schwar­zes Loch.

Die Nadel im Archiv-Heuhaufen

Als Nadi­ne Neu­may­er, Grup­pen­lei­te­rin am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie, und Anil Seth von der Uni­ver­si­tät Utah im Jahr 2019 ein For­schungs­pro­jekt zum bes­se­ren Ver­ständ­nis der Ent­ste­hungs­ge­schich­te von Ome­ga Cen­tau­ri ent­war­fen, wur­de ihnen klar, wie sich die Fra­ge nach dem zen­tra­len Schwar­zen Loch des Hau­fens ein für alle Mal klä­ren lie­ße: Gelän­ge es, direkt im Zen­trum schnell beweg­te Ster­ne zu iden­ti­fi­zie­ren, lie­ße sich mit deren Hil­fe nicht nur die Exis­tenz des Schwar­zen Lochs bele­gen, son­dern auch des­sen Mas­se bestimmen.

An die müh­sa­me Suche nach sol­chen Ster­nen mach­te sich Maxi­mi­li­an Häber­le, ein Dok­to­rand am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie. Häber­le war feder­füh­rend bei der Erstel­lung eines rie­si­gen Kata­logs für die Bewe­gun­gen der Ster­ne in Ome­ga Cen­tau­ri. Er bestimm­te anhand von über 500 Archiv­bil­dern des Welt­raum­te­le­skops Hub­ble die Geschwin­dig­kei­ten von 1,4 Mil­lio­nen Ster­nen. Die meis­ten der Bil­der waren nicht für wis­sen­schaft­li­che Zwe­cke erstellt wor­den, son­dern für die Kali­brie­rung von Instru­men­ten des Welt­raum­te­le­skops. Aber mit ihrem immer wie­der wie­der­hol­ten Blick auf Ome­ga Cen­tau­ri lie­fer­ten sie die idea­le Daten­ba­sis für die Suche.

Häber­le sagt: „Die Suche nach schnel­len Ster­nen und die Doku­men­ta­ti­on ihrer Bewe­gung war die sprich­wört­li­che Suche nach der Nadel im Heu­hau­fen.“ Doch am Ende hat­te Häber­le nicht nur den bis­her voll­stän­digs­ten Kata­log der Bewe­gung von Ster­nen in Ome­ga Cen­tau­ri (ver­öf­fent­licht in einem sepa­ra­ten Arti­kel). Er hat­te außer­dem gleich sie­ben Nadeln in sei­nem Archiv-Heu­hau­fen gefun­den: sie­ben ver­rä­te­ri­sche, sich schnell bewe­gen­de Ster­ne in einer klei­nen Regi­on im Zen­trum von Ome­ga Centauri.

Entdeckung eines Schwarzen Lochs

Schnell beweg­te Ster­ne fin­den sich typi­scher­wei­se in der Nähe kon­zen­trier­ter Mas­sen­an­samm­lun­gen. Aller­dings ist es bei einem ein­zel­nen Stern unmög­lich zu sagen, ob er schnell ist, weil die zen­tra­le Mas­se groß ist oder weil er sich sehr nahe an der zen­tra­len Mas­se befin­det – oder ob jener Stern viel­leicht ein­fach nur so schnur­ge­ra­de und schnell vor­bei­fliegt. Anhand von sie­ben sol­chen Ster­nen mit unter­schied­li­chen Geschwin­dig­kei­ten und Bewe­gungs­rich­tun­gen konn­ten Häber­le und sei­ne Kol­le­gen jedoch die unter­schied­li­chen Effek­te tren­nen und fest­stel­len, dass sich im Zen­trum von Ome­ga Cen­tau­ri eine Mas­se mit min­des­tens 8.200 Son­nen­mas­sen befin­det. Die Bil­der zei­gen kein sicht­ba­res Objekt an der ver­mu­te­ten Stel­le die­ser zen­tra­len Mas­se, genau wie man es für ein Schwar­zes Loch erwartet.

Durch die brei­te­re Ana­ly­se konn­te Häber­le nicht nur die Geschwin­dig­kei­ten sei­ner sie­ben Hoch­ge­schwin­dig­keits­ster­ne bestim­men. Sie grenz­te auch den Ort ein, an dem sich die zen­tra­le Regi­on mit einem Durch­mes­ser von 3 Licht­mo­na­ten (auf Bil­dern 3 Bogen­se­kun­den) in Ome­ga Cen­tau­ri befin­det. Außer­dem ver­schaff­te die Unter­su­chung den Forscher*innen sta­tis­ti­sche Sicher­heit: Ein ein­zel­ner, sehr schnel­ler Stern auf dem Bild gehört mög­li­cher­wei­se gar nicht zu Ome­ga Cen­tau­ri. Es könn­te sich um einen Stern außer­halb des Hau­fens han­deln, der zufäl­lig direkt hin­ter oder vor dem Zen­trum von Ome­ga Cen­tau­ri vor­bei­flitzt. Die Beob­ach­tung von sie­ben sol­cher Ster­ne kann jedoch kein Zufall sein und lässt kei­nen Raum für ande­re Erklä­run­gen als ein Schwar­zes Loch.

Endlich ein Schwarzes Loch mittlerer Masse

Neu­may­er sagt: „Bei frü­he­ren Stu­di­en der Zen­tral­re­gio­nen von Ome­ga Cen­tau­ri konn­te man jeweils kri­tisch nach­fra­gen: Wo sind denn die Hoch­ge­schwin­dig­keits­ster­ne? Jetzt haben wir die Ant­wort, und die Bestä­ti­gung, dass Ome­ga Cen­tau­ri tat­säch­lich ein mit­tel­gro­ßes Schwar­zes Loch ent­hält. Mit einer Ent­fer­nung von etwa 18.000 Licht­jah­ren ist dies das nächst­ge­le­ge­ne bekann­te Bei­spiel für ein mas­se­rei­ches Schwar­zes Loch.“ (Das super­mas­se­rei­che Schwar­ze Loch im Zen­trum der Milch­stra­ße befin­det sich rund 27.000 Licht­jah­re von der Erde ent­fernt.) Der jet­zi­ge Fund hat nicht nur die bes­ten Chan­cen, die jahr­zehn­te­lan­ge Debat­te um die Exis­tenz eines mit­tel­schwe­ren Schwar­zen Lochs in Ome­ga Cen­tau­ri zu einem Ende zu brin­gen. Er lie­fert auch den bis­lang sichers­ten Hin­weis auf die Exis­tenz sol­cher mit­tel­schwe­ren Schwar­zen Löcher allgemein.

Auf Basis ihrer Ergeb­nis­se pla­nen Neu­may­er, Häber­le und Kolleg*innen, das Zen­trum von Ome­ga Cen­tau­ri noch genau­er zu unter­su­chen. Sie haben dazu bereits Beob­ach­tungs­zeit mit dem Welt­raum­te­le­skop JWST ein­ge­wor­ben, um die Bewe­gung der schnel­len Ster­ne auf die Erde zu oder von ihr weg zu mes­sen (Radi­al­ge­schwin­dig­kei­ten). Mit der­zeit im Bau befind­li­chen neu­en Instru­men­ten (GRAVITY+ am VLT der ESO, MICADO am Extre­me­ly Lar­ge Telescope) wird es mög­lich sein, Stern­po­si­tio­nen noch deut­lich genau­er zu bestim­men als mit Hub­ble. Lang­fris­tig möch­ten die Forscher*innen die Beschleu­ni­gung der Stern­be­we­gung mes­sen, die Krüm­mung der Stern­bah­nen. Jene Ster­ne ein­mal ent­lang ihrer gesam­ten Umlauf­bahn zu ver­fol­gen, wie bei den nobel­preis­ge­krön­ten Beob­ach­tun­gen von Ster­nen um das Schwar­ze Loch im Zen­trum der Milch­stra­ße, ist jedoch ein astro­no­mi­sches Gene­ra­tio­nen­pro­jekt. Die gerin­ge­re Mas­se des Schwar­zen Lochs bei Ome­ga Cen­tau­ri bedeu­tet zehn­mal grö­ße­re Zeit­ska­len als im Zen­trum der Milch­stra­ße: Umlauf­zei­ten von mehr als hun­dert Jahren.

MP

Hintergrundinformationen

Die hier beschrie­be­ne Arbeit wur­de unter dem Titel M. Häber­le et al. „Fast-moving stars around an inter­me­dia­te-mass black hole in ω Cen­tau­ri“ in der Zeit­schrift Natu­re ver­öf­fent­licht. Die zugrun­de­lie­gen­den Kata­log­da­ten sind als M. Häber­le et al., „oME­GA­Cat II – Pho­to­me­try and pro­per moti­ons for 1.4 mil­li­on stars in Ome­ga Cen­tau­ri and its rota­ti­on in the pla­ne of the sky“ zur Ver­öf­fent­li­chung im Astro­phy­si­cal Jour­nal akzep­tiert.

Die betei­lig­ten MPIA-Wis­sen­schaft­ler sind Maxi­mi­li­an Häber­le, Nadi­ne Neu­may­er, Antoine Dumont, Cal­lie Clontz (auch Uni­ver­si­ty of Utah), Anja Feld­mei­er-Krau­se (auch Uni­ver­si­tät Wien) und Maria Seli­na Nitschai,

in Zusam­men­ar­beit mit

Anil Seth (Uni­ver­si­ty of Utah), Andrea Bel­li­ni (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te), Mat­tia Libralato (ESA und INAF Pado­va), Hol­ger Baum­gardt (The Uni­ver­si­ty of Queens­land), Matthew Whita­ker (Uni­ver­si­ty of Utah), May­te Alf­aro Cuello (Uni­ver­si­dad Cen­tral de Chi­le), Jay Ander­son (Space Telescope Sci­ence Insti­tu­te), Niko­lay Kacha­rov (Leib­niz-Insti­tut für Astro­phy­sik Pots­dam), Sebas­ti­an Kamann (Liver­pool John Moo­res Uni­ver­si­ty), Anto­ni­no Milo­ne (Uni­ver­si­ty of Pado­va), Renu­ka Pech­et­ti (Liver­pool John Moo­res Uni­ver­si­ty) und Glenn van de Ven (Uni­ver­si­tät Wien).

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