Astronomen entdecken ein schurkisches supermassereiches Schwarzes Loch, das durch den Weltraum rast und die Sternentstehung hinter sich lässt

Supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) lauern im Zentrum großer Galaxien wie der unseren. Von ihrer beherrschenden Position im Herzen der Galaxie aus ernähren sie sich von Gas, Staub, Sternen und allem anderen, was ihnen zu nahe kommt, und werden mit der Zeit immer massiver. Aber in seltenen Fällen kann ein SMBH aus seiner Position gezwungen werden und als abtrünniges SMBH durch den Weltraum rasen.

In einer neuen Veröffentlichung präsentieren Forscher aus Kanada, Australien und den USA Beweise für einen Schurken-SMBH, der durch den Weltraum rast und mit dem zirkumgalaktischen Medium (CGM) interagiert. Auf seinem Weg erzeugt der Riese Schockwellen und löst die Sternentstehung aus.

Das Papier ist „ein Kandidat für ein außer Kontrolle geratenes supermassereiches Schwarzes Loch, das durch Erschütterungen und Sternentstehung in seinem Gefolge identifiziert wurde“. Hauptautor ist Pieter van Dokkum, Professor für Astronomie und Physik an der Yale University. Das Papier ist auf der erhältlich arXiv Preprint-Server und wurde noch nicht von Experten begutachtet.

Wenn Sie noch nie von einem außer Kontrolle geratenen SMBH gehört haben, sind Sie nicht allein. SMBHs sind normalerweise in den Zentren von Galaxien verankert, und dort bleiben sie. Wissenschaftler glauben jedoch, dass SMBHs in seltenen Fällen aus ihren Galaxien entkommen können. In ihrer Arbeit erläutern die Autoren, wie ein SMBH aus seiner Wirtsgalaxie vertrieben werden kann.

Es beginnt immer, wenn Galaxien verschmelzen. Das führt zur Bildung eines binären SMBH im Zentrum des Fusionsüberrests. Das binäre SMBH kann sehr langlebig sein und bis zu einer Milliarde Jahre überleben, bevor es verschmilzt. Wenn während dieser Zeit ein dritter SMBH das galaktische Zentrum erreicht, kann eine Drei-Körper-Wechselwirkung einem der SMBHs einen Geschwindigkeitsschub geben und er kann aus der Galaxie vertrieben werden.

Aber trotz ihrer theoretischen Untermauerung ist es schwierig, diese abtrünnigen SMBHs zu finden. Astronomen identifizierten einen der besten Kandidaten im Jahr 2021, etwa 230 Millionen Lichtjahre entfernt. Die Autoren bemerkten eine eigentümliche Bewegung und Geschwindigkeit, die auf eine kürzliche Unterbrechung hindeuteten. Aber sie konnten nicht feststellen, ob sie eine laufende Galaxienverschmelzung, ein binäres Schwarzes-Loch-System oder ein Gravitationswellen-Rückstoßereignis sahen.

Astronomen erkennen ein paar Möglichkeiten, wie sie einen außer Kontrolle geratenen SMBH identifizieren können. Am einfachsten ist es, wenn das Loch als aktiver Galaxienkern aktiv Material aufnimmt und durch seine Leuchtkraft identifiziert werden kann. „Bei solchen Objekten“, schreiben die Autoren, „steht das Vorhandensein eines SMBH außer Zweifel, aber es kann schwierig sein festzustellen, ob es sich um ’nackte‘ Schwarze Löcher oder die Kerne verschmelzender Galaxien handelt.“

Ein anderer Weg ist die Sternmasse, die das Schurkenloch mit sich zieht. Wenn ein SMBH ausgestoßen wird, zieht seine massive Gravitationskraft einige Sterne mit sich. Aber ohne die Leuchtkraft eines AGN erschwert die Dunkelheit die Identifizierung des Lochs und seiner stellaren Begleiter aus großer Entfernung.

Ein dritter Weg, wie Astronomen einen potenziellen Schurken-SMBH erkennen könnten, ist die Wirkung, die er auf das diffuse Gas im zirkumgalaktischen Medium (CGM) hat, wenn es es durchquert.

„Die Wechselwirkung eines außer Kontrolle geratenen supermassereichen Schwarzen Lochs mit dem CGM kann zur Bildung einer Spur aus geschocktem Gas und jungen Sternen dahinter führen“, schreiben die Autoren. In ihrer Veröffentlichung berichten sie über die zufällige Entdeckung eines linearen Merkmals in Bildern der Advanced Camera for Surveys von Hubble, das eine dieser Spuren sein könnte.

Wenn ein SMBH im CGM durch ionisierten Wasserstoff fährt, erzeugt es eine Schockfront mit einem langen Nachlauf dahinter. In der Folge können Wolken aus geschocktem Gas abkühlen und Sterne bilden, die wie Knoten in der Spur aussehen. Die Forscher analysierten drei der Knoten im linearen Merkmal und maßen ihr Alter und ihre Metallizität.

Theorie und Modellierung zeigen, dass die jüngsten Sterne, die im Kielwasser entstanden sind, jünger als etwa 30 Millionen Jahre sein sollten. Als die Forscher ihre Eigenschaften maßen, stellten sie fest, dass die drei Knoten innerhalb der von Modellen festgelegten Altersspanne liegen. Sie liegen auch im Bereich der Metallizitäten und des Staubgehalts.

Wenn die Wirtsgalaxie ein SMBH ausgestoßen hat, sollte die Galaxie Anzeichen einer Störung zeigen. SMBHs sind außerordentlich massiv, und so viel Masse kann sich nicht durch eine Galaxie bewegen, ohne sie zu formen. Das Team untersuchte die Galaxie, die das Schurken-SMBH hervorgebracht hat, und stellte fest, dass ihre Morphologie gestört war.

Es gibt jedoch eine andere mögliche Erklärung für das lineare Merkmal. Es könnte eher ein Schwarzes-Loch-Jet als ein Schurken-SMBH sein. Unter den richtigen Bedingungen können Jets von Schwarzen Löchern auch Gas im CGM schocken und zur Sternentstehung führen. „Es gibt zwei gut untersuchte Beispiele in der Nähe von Jets, die die Sternentstehung auslösen“, stellen die Autoren fest. Eines davon heißt Minkowskis Objekt.

Die Autoren erkennen die Jet-Erklärung des Schwarzen Lochs als Möglichkeit an, aber sie sagen, dass es zu viele Probleme damit gibt. Sichtbare Emissionslinien sind keine Eigenschaft von Jets von Schwarzen Löchern, und es gibt keine Hinweise auf nukleare Aktivität. Es gibt auch ein Problem mit der Morphologie. „Ein ernsteres Problem ist, dass die Morphologie des Merkmals nicht mit Simulationen oder Beobachtungen der Jet-induzierten Sternentstehung übereinstimmt“, erklären die Autoren.

Sie entscheiden sich für ein außer Kontrolle geratenes SMBH als beste Erklärung für die Daten und Beobachtungen.

„Die Linienverhältnisse, Farben und die Gesamtmorphologie stimmen mit einem ausgestoßenen SMBH überein, das sich mit hoher Geschwindigkeit durch das CGM bewegt und dabei die Sternentstehung auslöst“, schreiben sie.

Die Lokalisierung der Schwarzen Löcher wäre ein unwiderlegbarer Beweis für diese Schlussfolgerung. „Der rauchende Beweis für dieses Szenario wäre die eindeutige Identifizierung der Schwarzen Löcher selbst“, schreiben die Forscher. „Die offensichtlichen Orte, an denen man nach ihnen suchen muss, sind A und B in Abb. 6.“

„Dies sind Kandidaten für ‚hyperkompakte Sternsysteme‘, SMBHs, die von Sternen und Gas umgeben sind, das mit ihnen entwichen ist“, erklären sie.

Das lange Merkmal in diesen Beobachtungen ist höchst ungewöhnlich, daher ist es keine Überraschung, wenn es eine ungewöhnliche Ursache hat. Nur mehr Beobachtungen können feststellen, ob abtrünnige SMBHs am Werk sind, und das JWST könnte sie liefern. „Tiefere Daten, zum Beispiel vom JWST NIRSPEC IFU, könnten die erwarteten breiten, stark rot- oder blauverschobenen Emissionslinien von ionisiertem Gas zeigen, das an die Schwarzen Löcher selbst gebunden ist. Diese Daten könnten auch Strömungen, Schocks und Sterne räumlich auflösen Formation bei A“, sagen die Autoren vorausschauend.

Und wenn es eine Instanz von außer Kontrolle geratenen SMBHs gibt, die diese Funktionen erstellen, wird es andere geben.

„Mit Blick auf die Zukunft ist die Morphologie des Merkmals in den HST-Bildern so auffällig, dass es nicht allzu schwierig sein sollte, weitere Beispiele zu finden, falls vorhanden. Zukünftige Daten des römischen Nancy-Grace-Teleskops können mit automatisierten Algorithmen durchsucht werden“, erklären sie.

Ein abtrünniges SMBH, das von seiner Galaxie getrennt ist und durch das zirkumgalaktische Medium streift, ist ein faszinierendes Phänomen. Wir stehen erst am Anfang des Verständnisses von SMBHs, wie sie mit dem Wachstum von Galaxien zusammenhängen und wie sie verschmelzen, um Gravitationswellen zu erzeugen.

Zu entdecken, dass sie aus ihren Wirtsgalaxien geschmissen werden können, fügt eine Ebene der Komplexität hinzu, die nur die Natur hervorbringen kann.