Schwarze Löcher entwachsen ihrer Galaxie: eROSITA entdeckt Quasare mit extremen Masseverhältnissen

Astronomen haben in einem 140 Quadratgrad großen Himmelsareal acht Quasare entdeckt, die ein extremes Verhältnis von Schwarzem Loch und Galaxie aufweisen: Die zentralen Schwarze Löcher machen mindestens fünf Prozent der gesamten Sternmasse ihrer jeweiligen Galaxie aus. Der typische Anteil im nahen Universum liegt dagegen bei rund einem halben Prozent.

Die neue Studie, die unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) entstanden ist, basiert auf der Untersuchung von 22.079 Quasaren. „Astronomen gingen davon aus, dass zentrale Schwarze Löcher stets eng gekoppelt mit ihren Galaxien wachsen“, sagt Studienleiter Dr. Johannes Buchner vom MPE. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das nicht immer der Fall ist.“

Tausendmal schwerer als das Milchstraßenzentrum

Die acht Objekte erreichen ein Verhältnis von Schwarzem Loch zu Sternmasse der Galaxie von mindestens 1 zu 20. Das liegt rund zehnmal über dem heute typischen Verhältnis von etwa 1 zu 200. Drei der acht gehören außerdem zu den 200 hellsten Quasaren des untersuchten Feldes.

Ihre Schwarzen Löcher besitzen zwischen etwa 800 Millionen und vier Milliarden Sonnenmassen. Damit sind sie ungefähr tausendmal schwerer als Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Man könne sich das wie einen Hund vorstellen, der in einer zu kleinen Wohnung lebt, sagt Prof. Dr. Kirpal Nandra, Direktor der Abteilung Hochenergie-Astrophysik am MPE. „Das Schwarze Loch ist schlicht zu groß für sein Zuhause geworden.“

Die Massen wurden mithilfe optischer Spektren der Sloan Digital Sky Survey bestimmt. Breite Wasserstofflinien verraten die Geschwindigkeit des heißen Gases in der Umgebung. Daraus lässt sich zusammen mit der Leuchtkraft die Masse erschließen. Wegen methodischer Unsicherheiten kann der Wert einzelner Objekte um etwa den Faktor drei schwanken; die Existenz der extremen Population gilt statistisch dennoch als belastbar.

Schwache Wirtsgalaxien und rasches Wachstum

Besonders auffällig ist, dass die sie umgebenden Galaxien trotz der gewaltigen Schwarzen Löcher kaum sichtbar sind. Auswertungen von ultraviolettem, optischem und infrarotem Licht sprechen dagegen, dass dort eine Sternmasse verborgen ist, die sich mit der Milchstraße vergleichen lässt.

„Die geringe Helligkeit der Heimatgalaxien zeigt, dass sie keine Sternmasse wie eine Galaxie von der Größe der Milchstraße besitzen können“, erklärt Buchner. „Andernfalls wären sie in den vorhandenen Bildern deutlich sichtbar.“

Gleichzeitig verschlingen die Schwarzen Löcher weiterhin Materie. Ihre Wachstumsrate wird auf etwa 40 Millionen Sonnenmassen pro Milliarde Jahre geschätzt. Bei anhaltender Akkretion könnten sie ihre Masse innerhalb von ungefähr einer Milliarde Jahren verdoppeln.

„Die Schwarzen Löcher sind im Verhältnis zu ihren Heimatgalaxien bereits ungewöhnlich massereich und nehmen dennoch weiterhin Materie auf“, sagt MPE-Doktorandin Catarina Aydar vom MPE.

Solche extremen Verhältnisse werden von den gängigen Simulationen bisher kaum hervorgebracht. Auch der Cambridge-Professor Roberto Maiolino, der nicht an der Studie beteiligt war, nennt die Ergebnisse „aufregend und unerwartet“ und findet, dass dadurch die bisherige Vorstellung eines eng gekoppelten Wachstums infrage gestellt wird.

Weitere eROSITA-Daten sowie hochaufgelöste Beobachtungen sollen nun klären, wie häufig solche Systeme sind, und auch, ob ihre Galaxien noch Sterne bilden und wie das Gas langfristig in ihre zentralen Schwarzen Löcher gelangt. Damit könnte sich entscheiden, ob die Extremfälle eine seltene Ausnahme sind, oder ein unterschätzter Entwicklungsweg von Galaxien.