Astronominnen und Astronomen haben drei aktiv fressende supermassive Schwarze Löcher in einer einzigen Galaxie gefunden: J0148-4214, mehr als 12,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Weil das Licht so lange unterwegs war, zeigt die Beobachtung die Galaxie, wie sie rund 1,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall aussah — gemessen bei Rotverschiebung z = 5,02.
„Das ist der erste Nachweis von drei aktiven Schwarzen Löchern in einer einzigen Galaxie im fernen Universum“, sagte Hannah Übler, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und Erstautorin der Studie.
Drei Schwarze Löcher, drei sehr verschiedene Größen
Die beiden zentralen Schwarzen Löcher trennen projiziert nur 620 Lichtjahre. Das dritte sitzt weit außerhalb des Kerns, etwa 5.500 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Ihre geschätzten Massen liegen bei rund 80 Millionen, 2 Millionen und 600.000 Sonnenmassen.
Die Überraschung ist, welches am aggressivsten frisst. Es ist nicht der Riese. Der Nachbar mit rund 600.000 Sonnenmassen sammelt Materie in einer Rate an, die das Eddington-Limit zu überschreiten scheint — den Punkt, an dem Strahlungsdruck des einfallenden Materials weiteres Gas wegdrücken sollte. Das Team schätzt zudem die gesamte Sternmasse der Galaxie auf etwa 1,3 Milliarden Sonnen, die Schwarzen Löcher machen also einen erheblichen Anteil alles dessen aus, was die Galaxie enthält.
Wie man zwei Schwarze Löcher findet, die ein Teleskop nicht auflösen kann
Bis vor kurzem wäre das unmöglich zu sehen gewesen. Das Team nutzte den Near Infrared Spectrograph von JWST im Modus der Integralfeld-Spektroskopie (NIRSpec-IFS), der nicht ein Spektrum für das ganze Objekt, sondern ein Spektrum für jede Position in der Galaxie aufzeichnet.
Wasserstoffgas nahe einem Schwarzen Loch bewegt sich mit extremen Geschwindigkeiten und hinterlässt erkennbare Signaturen im emittierten Licht. Im Zentrum der Galaxie war das Wasserstoff-Emissionsmuster zu kompliziert, um von einer einzelnen Quelle zu stammen; zwei eng benachbarte Schwarze Löcher passten deutlich besser. Um sie einzeln zu lokalisieren, nutzten die Forschenden Spektro-Astrometrie — das Verfolgen subtiler Positionsverschiebungen in Spektraleigenschaften — und lösten das Paar auf, obwohl das Teleskop sie nicht als zwei Lichtpunkte abbilden konnte. Das dritte aktive Schwarze Loch fand sich in der Außenregion der Galaxie.
Ohne dieses räumliche Detail, so das Team, hätten sie höchstwahrscheinlich nur eines der drei identifiziert.
Warum das für das Wachstum der Riesen zählt
Galaxienverschmelzungen waren im frühen Universum häufig, und wenn Galaxien verschmelzen, können ihre zentralen Schwarzen Löcher aufeinander zuspiralen und schließlich verschmelzen. Das ist eine der führenden Erklärungen dafür, wie Schwarze Löcher innerhalb der ersten Milliarde Jahre hunderte Millionen Sonnenmassen erreichten — eine Wachstumsrate, die für Modelle rein stetiger Akkretion unangenehm ist.
Drei in einer Galaxie bei z = 5,02 zu finden, ist direkter Beleg dafür, dass das frühe Universum darin effizient war, massereiche Schwarze Löcher zusammenzubringen. „Es deutet darauf hin, dass Prozesse im frühen Universum effizient darin waren, massereiche Schwarze Löcher zusammenzuführen, und damit die massereichen Verschmelzungen vorbereiteten, die wir mit künftigen Gravitationswellen-Observatorien erwarten“, sagte Übler.
Die beiden zentralen Schwarzen Löcher dürften in den nächsten paar hundert Millionen Jahren verschmelzen. „Diese Ergebnisse sind außerordentlich spannend“, ergänzte Co-Autor Roberto Maiolino von der University of Cambridge. „Sie legen nahe, dass die Verschmelzung Schwarzer Löcher ein zusätzlicher, schneller Weg für ihr rasches Wachstum im frühen Universum gewesen sein könnte.“
Das Rätsel des dritten
Über den Ausreißer werden Astronominnen und Astronomen streiten. Ein Schwarzes Loch 5.500 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, weit außerhalb des Kerns, hat zwei plausible Erklärungen. Es könnte sich nach innen bewegen, um zu den anderen beiden zu stoßen. Oder es könnte der Überrest einer früheren Verschmelzung sein, der nach außen geschleudert wurde — ein Gravitationsrückstoß, bei dem das verschmelzende Paar Gravitationswellen ungleichmäßig abstrahlte und das entstandene Schwarze Loch in die Gegenrichtung geschleudert wurde.
Beides ist mit Folgebeobachtungen prüfbar, und beides würde etwas anderes darüber sagen, wie gewaltsam es im Zentrum dieser Galaxie zugegangen ist.
Die Implikation, die skaliert
Wenn JWSTs Integralfeld-Spektroskopie drei Schwarze Löcher aus einer einzelnen schwachen Galaxie bei z = 5,02 herausziehen kann, dann sind Mehrfachsysteme im fernen Universum wahrscheinlich nicht selten — sie werden nur unterzählt. Jede Galaxie, die bisher als Trägerin eines einzigen aktiven Kerns katalogisiert ist, ist eine Kandidatin für mehr, und die Zahl der Verschmelzungskandidaten dürfte wachsen, je breiter die Technik eingesetzt wird.
