Durch die Anwendung der Krümmung von Licht konnten Forscher bisher vermutete, aber nicht entdeckte Objekte aufspüren. In der Galaxie, die sich im Zentrum des Sternhaufens Abell 1201 befindet, wurde mithilfe dieser Methode ein Schwarzes Loch gefunden, das eine Masse hat, die um mindestens sieben Milliarden Sonnenmassen höher ist als frühere Schätzungen. Die Masse dieses Schwarzen Lochs beträgt 32,7 Milliarden Sonnenmassen.
Schwarzes Loch unter natürlicher Lupe
Schwarze Löcher sind nicht leicht zu erkennen, es sei denn, sie aggregieren aktiv Material, das viel Licht erzeugt. Sie selbst senden kein Licht aus, das wir erkennen könnten. Deshalb müssen wir sie aufspüren, indem wir nach den Auswirkungen suchen, die sie auf ihre Umgebung haben. Eine Möglichkeit, Objekte wie diese aufzuspüren, ist die Suche nach dem Effekt der Gravitationslinse.
Gravitationslinseneffekte treten auf, wenn die Raumzeit selbst durch Masse verformt wird. Jedes Licht, das sich durch diese Region der Raumzeit bewegt, muss einen gekrümmten Weg zurücklegen, und das kann für Beobachtende aus der Ferne sehr interessant aussehen. Das Licht wird gekrümmt, gestreckt und oft vergrößert. Das bedeutet, dass wir verzerrte Bilder von Objekten im Hintergrund erhalten, etwa von entfernten Galaxien.
Diese linsenförmige Masse kann klein sein, wie ein stellarmassiges Schwarzes Loch, oder groß, wie ein Galaxienhaufen. Astronominnen und Astronomen können dieses verzerrte Licht untersuchen, um die Eigenschaften der linsenförmigen Masse zu erforschen.
Erstmals detaillierte Daten
„Die meisten der größten Schwarzen Löcher, die wir kennen, befinden sich in einem aktiven Zustand, in dem sich die Materie, die in die Nähe des Schwarzen Lochs gezogen wird, aufheizt und Energie in Form von Licht, Röntgenstrahlen und anderer Strahlung freisetzt“, erklärt Dr. James Nightingale, Abteilung für Physik der Universität Durham. „Mit Hilfe der Gravitationslinsen lassen sich jedoch auch inaktive Schwarze Löcher untersuchen, was derzeit in weit entfernten Galaxien nicht möglich ist. Mit diesem Ansatz könnten wir viele weitere Schwarze Löcher jenseits unseres lokalen Universums aufspüren und herausfinden, wie sich diese exotischen Objekte weiter hinten in der kosmischen Zeit entwickelt haben.“
Die zentrale Galaxie, die hellste Haufengalaxie (BCG) von Abell 1201, ist eine große, diffuse elliptische Galaxie, die als starke Gravitationslinse bekannt ist. Eine Galaxie weit jenseits der BCG erscheint daneben als länglicher Fleck, wie ein Faden, der sich eng um die Außenbezirke wickelt. Dieser Fleck wurde 2003 entdeckt, und 2017 fanden Forschende einen zweiten, schwächeren Fleck, der noch näher am galaktischen Zentrum liegt.
Die Astronom*innen vermuteten ein sehr großes Schwarzes Loch im Zentrum der BCG. Aber die verfügbaren Daten waren nicht detailliert genug, um die zentrale Masse aufzulösen oder mehr darüber zu erfahren, was sich dort befindet. Dr. Nightingale, seine Kolleginnen und Kollegen hatten Zugang zu neueren Beobachtungen und entwickelten die Werkzeuge, um sie zu verstehen.
Nahe an der theoretischen Obergrenze
Sie führten Hunderttausende von Simulationen durch, in denen sie die Bewegung des Lichts durch das Universum simulierten und dabei die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie veränderten, um Ergebnisse zu erhalten, die den Linseneinfluss, den wir bei Abell 1201 BCG beobachten, wiedergeben. Seine Forschungsarbeit veröffentlichte das Team in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Alle Modelle bis auf eines bevorzugten ein massereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie, und die beste Anpassung für die Masse dieses Schwarzen Lochs war das 32,7-Milliardenfache der Sonnenmasse. Damit liegt es im ultramassiven Bereich, also bei Schwarzen Löchern mit einer Masse von mehr als 10 Milliarden Sonnen, und nahe an der theoretischen Obergrenze für schwarze Löcher von 50 Milliarden Sonnen.
„Dieses spezielle Schwarze Loch, das etwa das 30-Milliardenfache der Masse unserer Sonne hat, ist eines der größten jemals entdeckten und liegt an der oberen Grenze dessen, wie groß Schwarze Löcher unserer Meinung nach theoretisch werden können – eine äußerst spannende Entdeckung.“
Dr. James Nightingale
Fund lässt auf neues Potenzial hoffen
Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten, andere Schwarze Löcher im fernen Universum zu entdecken und zu gewichten. Gravitationslinsen ermöglichen die Untersuchung inaktiver Löcher, was in fernen Galaxien derzeit nicht möglich ist.
Auf diese Weise könnten wir viele weitere Schwarze Löcher jenseits unseres lokalen Universums aufspüren und herausfinden, wie sich diese exotischen Objekte weiter hinten in der kosmischen Zeit entwickelt haben.
Quellen: „Abell 1201: detection of an ultramassive black hole in a strong gravitational lens Get access Arrow“ (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023); Durham University
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