Ein supermassives Schwarzes Loch wurde aus der Galaxie, in der es sich befand, ausgestoßen

Supermassive Schwarze Löcher sind Objekte mit Massen von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen und befinden sich im Zentrum der meisten beobachteten Galaxien. Es gibt Hinweise darauf, dass praktisch alle elliptischen und spiralförmigen Galaxien, einschließlich der Milchstraße mit Sagittarius A*, ein zentrales supermassives Schwarzes Loch beherbergen. Diese Objekte üben einen starken gravitativen Einfluss auf den galaktischen Kern aus und scheinen mit der galaktischen Evolution in Zusammenhang zu stehen.

Wir wissen immer noch nicht, woher supermassive Schwarze Löcher stammen, wie sie in die Zentren von Galaxien gelangt sind oder warum alle Galaxien eines haben. Beobachtungen zeigen Korrelationen zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und den globalen Eigenschaften der Wirtsgalaxie, wie beispielsweise der Geschwindigkeitsdispersion der Sterne im Bulge und der gesamten Sternmasse. Diese Korrelationen deuten darauf hin, dass es eine Koevolution zwischen Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern geben könnte. Es ist jedoch noch immer nicht sicher, ob zuerst die supermassiven Schwarzen Löcher entstanden sind oder ob zuerst die Galaxien entstanden sind.

Kürzlich lieferten Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop Hinweise auf ein supermassives Schwarzes Loch, das offenbar aus seiner Heimatgalaxie ausgestoßen wurde. Die Daten zeigen eine Emissionsspur, die darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch aus dem Zentrum der Galaxie ausgestoßen worden sein könnte. Das Forschungsteam analysierte die Eigenschaften der Flugbahn des supermassiven Schwarzen Lochs, um zu verstehen, wie der Ausstoßvorgang ablief. Dies ist ein ungewöhnlicher Fall eines supermassiven Schwarzen Lochs, das durch das Universum wandert.

Supermassive Schwarze Löcher

Schwarze Löcher sind Objekte, deren Masse zwischen einigen Millionen und Milliarden Sonnenmassen liegen kann. Wenn ein Schwarzes Loch in diesen Massenbereich fällt, wird es als supermassives Schwarzes Loch bezeichnet. Diese Objekte befinden sich im Zentrum von Galaxien und wurden bereits direkt vom Event Horizon Telescope beobachtet, wobei Bilder von M87* und Sagittarius A* veröffentlicht wurden, die 2019 bzw. 2022 aufgenommen wurden.

Wenn sich diese Objekte in ihrer aktiven Phase befinden, sammeln sie Materie an und bilden eine heiße, energiereiche Scheibe. Diese Scheibe erzeugt Strahlung und in einigen Fällen relativistische Jets, die sich über mehrere Lichtjahre erstrecken können. Darüber hinaus zeigen supermassive Schwarze Löcher Korrelationen mit den Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxien.

Diese Korrelationen deuten auf einen koevolutionären Prozess zwischen dem Wachstum von Schwarzen Löchern und der Entstehung von Galaxien hin. Sie weisen auch darauf hin, dass es einen Prozess gibt, der durch die energetische Rückkopplung des Schwarzen Lochs vermittelt wird und die Sternentstehung reguliert.

Das Geheimnis dieser Objekte

Trotz jahrzehntelanger Beobachtung dieser Objekte ist immer noch unbekannt, wie supermassive Schwarze Löcher entstanden sind oder wie sie in die Zentren von Galaxien gelangt sind. Dies bleibt eines der größten Rätsel der Entwicklung von Objekten im Universum.

Die wichtigsten Entstehungsszenarien umfassen den direkten Kollaps primordialer Gaswolken oder das allmähliche Wachstum kleinerer Keime durch Akkretion und Verschmelzungen. Keines dieser Modelle erklärt vollständig die Existenz dieser Objekte, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

Das James-Webb-Weltraumteleskop wurde speziell dafür entwickelt, dieses Problem zu untersuchen, indem es Galaxien mit hoher Rotverschiebung beobachtet, also aus der Frühzeit des Universums. Anhand seiner Daten können wir Kandidaten für primordiale Schwarze Löcher identifizieren, Akkretionsraten messen und die frühesten Galaxien charakterisieren. Durch die Kartierung der gemeinsamen Entwicklung von Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien im jungen Universum hilft uns James Webb, besser zu verstehen, wie der Entstehungsprozess abgelaufen sein könnte.

Das schwarze Loch, das ausgestoßen wurde

Mit diesem Ziel vor Augen nutzte eine Gruppe von Forschern Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops, um supermassive Schwarze Löcher zu untersuchen. Bei einigen dieser Beobachtungen entdeckte die Gruppe einen Fall, in dem ein supermassives Schwarzes Loch aus seiner Heimatgalaxie ausgestoßen wurde. Der Analyse zufolge hat das Objekt eine Masse von etwa 10 Millionen Sonnenmassen und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.000 km/s. Diese Geschwindigkeit erregte Aufmerksamkeit, da sie im Vergleich zu einigen dynamischen Prozessen in Galaxien relativ hoch ist.

Der Ausstoß eines supermassiven Schwarzen Lochs kann nach der Verschmelzung zweier supermassiver Schwarzer Löcher auftreten. JWST-Daten zeigen, dass das entweichende Schwarze Loch mit dem interstellaren Medium interagiert und eine Struktur im galaktischen Maßstab sowie eine etwa 200.000 Lichtjahre lange Spur erzeugt. In dieser Spur wird Gas komprimiert und abgekühlt, was zu Sternentstehungsphasen führt. Mit anderen Worten: Das Schwarze Loch hinterließ eine Spur aus sich bildenden Sternen.

Wie entkommen Schwarze Löcher?

Supermassive Schwarze Löcher können durch einen Prozess namens Gravitationsrückstoß aus ihren Galaxien entkommen. Gravitationsrückstoß ist ein relativistischer Effekt, der nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher auftritt, die Gravitationswellen mit ungleicher linearer Impulsenergie aussenden. Infolgedessen erhält das neu entstandene Schwarze Loch einen Stoß, der es aus seiner Galaxie herausschleudern kann, wenn er stark genug ist und Geschwindigkeiten über der Fluchtgeschwindigkeit erreicht.

Ein zweiter Mechanismus, durch den Schwarze Löcher aus ihren Galaxien ausgestoßen werden können, beinhaltet dynamische Drei-Körper-Wechselwirkungen im Zentrum verschmelzender Galaxien. Wenn eine Galaxie bereits ein Doppelsternsystem aus supermassiven Schwarzen Löchern enthält und ein drittes Schwarzes Loch während einer neuen Verschmelzung hinzukommt, wird das System instabil. Die Umverteilung von Energie und Bahndrehimpuls führt zur Beschleunigung und zum Ausstoß eines der Schwarzen Löcher aus dem System.

Quellenhinweis:

van Dokkum et al. JWST Confirmation of a Runaway Supermassive Black Hole via its Supersonic Bow Shock arXiv