Umfrage findet mehr versteckte supermassereiche Schwarze Löcher als erwartet

Mehrere NASA-Teleskope haben Wissenschaftlern kürzlich dabei geholfen, den Himmel nach supermassereichen Schwarzen Löchern zu durchsuchen – solchen, die bis zu Milliarden Mal schwerer als die Sonne sind. Die neue Durchsuchung ist einzigartig, da sie mit der gleichen Wahrscheinlichkeit massive Schwarze Löcher entdeckte, die hinter dicken Gas- und Staubwolken verborgen sind, wie solche, bei denen dies nicht der Fall ist.

Astronomen glauben, dass jede große Galaxie im Universum ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat. Die Überprüfung dieser Hypothese ist jedoch schwierig, da Forscher nicht hoffen können, die Milliarden oder sogar Billionen supermassiver Schwarzer Löcher zu zählen, von denen man annimmt, dass sie im Universum existieren. Stattdessen müssen sie aus kleineren Stichproben extrapolieren, um mehr über die größere Population zu erfahren. Die genaue Messung des Anteils versteckter supermassereicher Schwarzer Löcher in einer bestimmten Probe hilft Wissenschaftlern dabei, die Gesamtzahl supermassereicher Schwarzer Löcher im Universum besser abzuschätzen.

Die neue Studie veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journal fanden heraus, dass etwa 35 % der supermassereichen Schwarzen Löcher stark verdeckt sind, was bedeutet, dass die umgebenden Gas- und Staubwolken so dick sind, dass sie sogar Röntgenlicht mit niedriger Energie blockieren.

Vergleichbare Untersuchungen haben bisher ergeben, dass weniger als 15 % der supermassiven Schwarzen Löcher so verdeckt sind. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die tatsächliche Aufteilung auf der Grundlage von Modellen zum Wachstum von Galaxien eher bei 50/50 liegen sollte. Wenn Beobachtungen weiterhin darauf hinweisen, dass deutlich weniger als die Hälfte der supermassiven Schwarzen Löcher verborgen sind, müssen Wissenschaftler einige wichtige Vorstellungen über diese Objekte und ihre Rolle bei der Entstehung von Galaxien anpassen.

Verborgener Schatz

Obwohl Schwarze Löcher von Natur aus dunkel sind – nicht einmal Licht kann sich ihrer Schwerkraft entziehen –, können sie auch zu den hellsten Objekten im Universum gehören: Wenn Gas in eine Umlaufbahn um ein supermassereiches Schwarzes Loch gezogen wird, wie Wasser, das einen Abfluss umkreist, entsteht die extreme Schwerkraft So starke Reibung und Hitze, dass das Gas Hunderttausende Grad erreicht und so hell strahlt, dass es alle Sterne in der umgebenden Galaxie überstrahlen kann.

Die Gas- und Staubwolken, die die helle zentrale Scheibe umgeben und auffüllen, können ungefähr die Form eines Torus oder Donuts annehmen. Wenn das Donut-Loch zur Erde zeigt, ist die helle zentrale Scheibe darin sichtbar; Wenn der Donut von der Kante gesehen wird, ist die Scheibe verdeckt.

Die meisten Teleskope können supermassereiche Schwarze Löcher relativ leicht von der Vorderseite aus erkennen, solche jedoch nicht von der Kante her. Es gibt jedoch eine Ausnahme, die sich die Autoren der neuen Arbeit zunutze gemacht haben: Der Torus absorbiert Licht von der zentralen Quelle und sendet energieärmeres Licht im Infrarotbereich (Wellenlängen, die etwas länger sind als das, was das menschliche Auge wahrnehmen kann) wieder aus. Grundsätzlich leuchten die Donuts im Infrarotlicht.

Diese Lichtwellenlängen wurden vom Infrarot-Astronomischen Satelliten (IRAS) der NASA erfasst, der 1983 zehn Monate lang in Betrieb war und vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet wurde. IRAS, ein Durchmusterungsteleskop, das den gesamten Himmel abbildete, konnte die Infrarotemissionen der Wolken rund um supermassereiche Schwarze Löcher sehen. Am wichtigsten ist, dass es schwarze Löcher von der Kante und von der Vorderseite aus gleichermaßen gut erkennen konnte.

IRAS hat zunächst Hunderte von Zielen erfasst. Es stellte sich heraus, dass es sich bei einigen von ihnen nicht um stark verdeckte Schwarze Löcher handelte, sondern um Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate, die ein ähnliches Infrarotlicht aussenden. Deshalb verwendeten die Autoren der neuen Studie bodengestützte Teleskope mit sichtbarem Licht, um diese Galaxien zu identifizieren und sie von den verborgenen Schwarzen Löchern zu trennen.

Um stark verdeckte Schwarze Löcher auf der Kante zu bestätigen, verließen sich die Forscher auf das NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA, ein ebenfalls vom JPL verwaltetes Röntgenobservatorium. Röntgenstrahlen werden von einigen der heißesten Materialien rund um das Schwarze Loch abgestrahlt. Röntgenstrahlen niedrigerer Energie werden von den umgebenden Gas- und Staubwolken absorbiert, während die von NuSTAR beobachteten Röntgenstrahlen höherer Energie die Wolken durchdringen und an ihnen streuen können. Die Entdeckung dieser Röntgenstrahlen kann stundenlange Beobachtungen erfordern, daher benötigen Wissenschaftler, die mit NuSTAR arbeiten, zunächst ein Teleskop wie IRAS, das ihnen sagt, wo sie suchen müssen.

„Es erstaunt mich, wie nützlich IRAS und NuSTAR für dieses Projekt waren, insbesondere obwohl IRAS schon vor über 40 Jahren in Betrieb war“, sagte Studienleiter Peter Boorman, Astrophysiker am Caltech in Pasadena, Kalifornien. „Ich denke, es zeigt den historischen Wert von Teleskoparchiven und den Vorteil der gemeinsamen Verwendung mehrerer Instrumente und Lichtwellenlängen.“

Numerischer Vorteil

Die Bestimmung der Anzahl verborgener Schwarzer Löcher im Vergleich zu nicht verborgenen kann Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie diese Schwarzen Löcher so groß werden. Wenn sie durch den Verbrauch von Material wachsen, müsste eine beträchtliche Anzahl von Schwarzen Löchern von dichten Wolken umgeben und möglicherweise verdeckt sein. Boorman und seine Co-Autoren sagen, ihre Studie unterstütze diese Hypothese.

Darüber hinaus beeinflussen Schwarze Löcher die Galaxien, in denen sie leben, vor allem dadurch, dass sie das Wachstum von Galaxien beeinflussen. Dies liegt daran, dass Schwarze Löcher, die von massiven Gas- und Staubwolken umgeben sind, große – aber nicht unendliche – Mengen an Material verbrauchen können. Wenn zu viel auf ein Schwarzes Loch fällt, fängt das Schwarze Loch an, den Überschuss auszuspucken und ihn zurück in die Galaxie zu schießen. Dadurch können Gaswolken innerhalb der Galaxie, in der sich Sterne bilden, zerstreut werden, wodurch die Geschwindigkeit der Sternentstehung dort verlangsamt wird.

„Wenn wir keine Schwarzen Löcher hätten, wären die Galaxien viel größer“, sagte Poshak Gandhi, Professor für Astrophysik an der University of Southampton im Vereinigten Königreich und Mitautor der neuen Studie. „Wenn wir also kein supermassereiches Schwarzes Loch in unserer Milchstraßengalaxie hätten, gäbe es möglicherweise viel mehr Sterne am Himmel. Das ist nur ein Beispiel dafür, wie Schwarze Löcher die Entwicklung einer Galaxie beeinflussen können.“