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Kleinste bekannte Galaxie mit einem Supermassereichen Schwarzen Loch

Befinden sich viele versteckte Schwarze Löcher in den kleinen Resten zerstörter Galaxien?

17. September 2014

Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Anil Seth von der Universität Utah mit Remco van den Bosch und Nadine Neumayer vom Max-Planck-Institut für Astronomie als Co-Autoren hat entdeckt, dass eine ultrakompakte Zwerggalaxie in der Nachbarschaft der großen Galaxie M60 ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergt. Es ist die kleinste bekannte Galaxie, in der ein zentrales Schwarzes Loch dieser Größe gefunden wurde. Die Entdeckung legt nahe, dass derartige Objekte im Kosmos häufiger sind, als bisher angenommen.

Hintergrundinformationen

Fragen und Antworten Bildmaterial
Abbildung 1: Die Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops zeigt in der Bildmitte die große Galaxie M60 und darunter die ultrakompakte Zwerggalaxie M60-UCD1, in der das supermassereiche Schwarze Loch gefunden wurde. Zu der Gruppe gehört auch die Spiralgalaxie NGC4647 oben rechts. Bild vergrößern
Abbildung 1: Die Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops zeigt in der Bildmitte die große Galaxie M60 und darunter die ultrakompakte Zwerggalaxie M60-UCD1, in der das supermassereiche Schwarze Loch gefunden wurde. Zu der Gruppe gehört auch die Spiralgalaxie NGC4647 oben rechts.

»Es ist die kleinste und leichteste Galaxie, die wir kennen, welche ein supermassereiches Schwarzes Loch besitzt«, sagt Anil Seth, Hauptautor einer internationalen Studie der Zwerggalaxie, die am Donnerstag in der Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht wird. »Damit gehört die Galaxie auch zu den am meisten durch ein schwarzes Loch dominierten Sternsystemen überhaupt.«

Für Ihre Entdeckung nutzten die Astronomen sowohl das mit einem 8 Meter-Spiegel ausgestattete Gemini-Nord Teleskop auf dem Mauna Kea auf Hawaii als auch Bilder des Hubble-Weltraumteleskops. Eine Modellierung der Sternbewegung in der Zentralregion der kompakten Zwerggalaxie M60-UCD1, die Remco van den Bosch vom MPIA auf Basis der Beobachtungsdaten vornahm, zeigte, dass die Galaxie ein zentrales Schwarzes Loch mit einer Masse von 21 Millionen Sonnen besitzt.

Die Beobachtung legt nahe, dass auch viele andere ultrakompakte Zwerggalaxien solche zentralen Schwarze Löcher beherbergen – und es sich bei diesen Zwerggalaxien um die Reste viel größerer Galaxien handelt, die bei Kollisionen mit anderen Galaxien große Teile ihrer ursprünglichen Struktur und damit ihrer Anzahl an Sternen und Masse verloren haben.

Nadine Neumayer vom MPIA sagt: »Das ist eine sehr spannende Entdeckung. Auch einige der größten Sternhaufen in unserer eigenen Galaxie, z.B. Omega Centauri, enthalten vermutlich ein Schwarzes Loch. Da liegt nahe, dass es sich um die Kernregionen anderer Galaxien handeln könnte, die unsere Milchstraße sich im Laufe ihrer Entwicklung einverleibt hat. Der Nachweis des Schwarzen Lochs in M60-UCD1 passt genau in dieses Bild.«

Im Gegensatz zu den überall in Galaxien anzutreffenden »kleinen« stellaren Schwarzen Löchern, bei denen es sich um die unter der eigenen Schwerkraft zusammengebrochenen Überreste massereicher Sterne handelt, ist die Herkunft der um Größenordnungen (mehr als eine Million Sonnenmassen) schwereren Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien noch eine der großen offenen Fragen der modernen Astrophysik. Ihre Entstehung ist offenbar eng mit der Bildung der Galaxien in der Frühphase des Universums verknüpft. Darauf weist eine vor einigen Jahren an vielen »normalen« Galaxien entdeckte Beziehung zwischen der Masse zentraler schwarzen Löcher und der Massen der sie umgebenen Galaxien hin.

So besitzt das zentrale Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße zwar etwa 4 Millionen Sonnenmassen, aber dies sind weniger als 0,01 Prozent der Gesamtmasse unserer Heimatgalaxie. Im Vergleich dazu entsprechen die 21 Millionen Sonnenmassen des zentralen Schwarzen Lochs in M60-UCD1 etwa 15 Prozent der Gesamtmasse der Zwerggalaxie mit ihren 140 Millionen Sonnen.

Ursprünglich dürfte M60-UCD1 damit sehr viel größer gewesen sein und vermutlich rund 10 Milliarden Sterne besessen haben. Doch als sie in die Nähe des Zentrums der noch größeren Galaxie M60 gelangte, hätte sie durch gravitative Wechselwirkung die allermeisten ihre Sterne und die Dunkle Materie in ihrem Außenbereich an M60 verloren.

Die genaue Umlaufbahn der Zwerggalaxie um M60 ist bislang nicht bekannt, aber in ferner Zukunft könnte die kleinere Zwerggalaxie sogar gänzlich von M60 verschluckt werden und mit deren Zentrum verschmelzen. M60 ist eine der größten uns bekannten Galaxien im lokalen Universum und besitzt ein zentrales Schwarzes Loch von etwa 4.5 Milliarden Sonnenmassen – 1000 Mal schwerer als das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis.

[Hinweis: Eine frühere Version dieser Pressemitteilung enthielt eine falsche Zuordnung zweier Zitate. Wir bitten, das Versäumnis zu entschuldigen.]

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Hintergrundinformationen

Die von 14 Astronomen durchgeführte Studie wurde finanziert von der National Science Foundation in den USA, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Partnerschaft des Gemini Observatoriums (zu der die NSF und wissenschaftlichen Einrichtungen in Kanada, Chile, Australien, Brasilien und Argentinien gehören).

Das Gemini-Observatorium ist eine internationale Zusammenarbeit und besteht aus zwei identischen 8-Meter-Teleskopen, die über modernste Techniken wie z.B. Adaptive Optik oder Infrarotmessinstrumente verfügen. Gemini-Nord befindet sich auf der Insel Hawaii und Gemini-Süd auf dem Cerro Pachón in Zentral-Chile. Zusammen decken die Teleskope beide Hemisphären des Himmels ab.
Das Observatorium wird von der Association of Universities for Research in Astronomy unter einer Kooperationsvereinbarung mit der National Science Foundation verwaltet.
Das Hubble-Weltraumteleskop wurde von der NASA und ESA gebaut und wird vom Space Telescope Science Institute betrieben.

Die beteiligten Wissenschaftler sind:
Anil Seth, Mark den Brok (University of Utah Physics and Astronomy);
Remco van den Bosch (Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland);
Steffen Mieske (Europäische Südsternwarte ESO, Santiago, Chile);
Holger Baumgardt (University of Queensland, Australien);
Jay Strader (Michigan State University);
Nadine Neumayer (Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland und Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland);
Igor Chilingarian (Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, Massachusetts und Moscow State University);
Michel Hilker (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland);
Richard McDermid und Lee Spitler (Macquarie University, Australia);
Jean Brodie (University of California, Santa Cruz);
Matthias J. Frank (Universität Heidelberg, Deutschland);
Jonelle Walsh (University of Texas in Austin).

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Fragen und Antworten

Was sind Ultrakompakte Zwerggalaxien und wie sind sie entstanden?
Ultrakompakte Zwerggalaxien gehören zu den dichtesten Sternsystemen im Universum.
Mit seinen 140 Millionen Sonnenmassen ist M60-UCD1 das nun massereichste bekannte System dieser Art.
Die Ausdehnung von Zwerggalaxien beträgt nur wenige hundert Lichtjahre (1 Lichtjahr = 9.4 Billionen Kilometer). Zum Vergleich: Unser Milchstraßensystem hat etwa 100.000 Lichtjahre Durchmesser.
M60-UCD1 ist rund 54 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, aber der Abstand zum Zentrum von M60 beträgt nur 22.000 Lichtjahre und ist damit geringer als der Abstand unseres Planetensystems zum Zentrum unserere Galaxis.
Seit langem diskutieren Astronomen darüber, ob es sich bei diesen Zwerggalaxien um die Kerne von ehemals größeren Galaxien handelt, die Ihrer Außenbereiche bei Kollisionen mit anderen Galaxien beraubt wurden oder ob sie sich wie Kugelsternhaufen gebildet haben. Kugelsternhaufen sind konzentrierte Gruppen von vielleicht 100.000 Sternen, die gleichzeitig entstanden sind. So gibt es etwa 200 Kugelsternhaufen im Halo unserer Milchstraße und einige Galaxien beherbergen sogar Tausende dieser Objekte.


Wie wurde die Masse des zentralen Schwarzen Lochs von M60-UCD1 bestimmt?
Zur Massenabschätzung des zentralen schwarzen Lochs der Zwerggalaxie M60-UCD1 nutzten die Astronomen das Gemini-Nord-Teleskop. Dazu bestimmten sie die Bewegungsgeschwindigkeiten der Sterne in der Umlaufbahn um das Zentrum der Zwerggalaxie, denn diese hängt von der zentralen Masse ab. Das Ergebnis: Die Sterne bewegten sich mit etwa 370.000 km pro Stunde deutlich schneller als man es erwarten kann, falls kein zentrales schwarzes Loch existiert. Alternativ könnte zwar auch eine Population sehr massereicher Sterne im Zentrum existieren, doch die Analyse von Aufnahmen des Hubble-Teleskops zeigt, dass die Masse sehr auf das Zentrum konzentriert ist.
Alles deutet darauf hin, dass M60-UCD1 damit der Kern einer vormals größeren Galaxie ist, zu der ein Schwarzes Loch dieser Masse passen würde. Diese hätte dann etwa ein fünftel der Masse der Milchstraße besessen, bevor die Außenbereiche durch die Wechselwirkung mit M60 verloren gegangen sind.
Die Astronomen untersuchten M60-UCD1 genauer, weil die Galaxie zuvor als kompakte Röntgenquelle aufgefallen war. Auch diese Eigenschaft spricht für ein zentrales Schwarzes Loch in M60-UCD1, denn solche Strahlung ist typisch für Gas, welches in ein solches Objekt hineinstürzt. Dieses Phänomen ist bekannt von anderen größeren Galaxien mit zentralen Schwarzen Löchern.


Warum spricht man von »schwarzen Löchern«?
Die Massenkonzentration dieser Objekte ist so hoch, dass hineingefallene Materie die nach der Relativitätstheorie höchstmögliche Geschwindigkeit- die Lichtgeschwindigkeit – übertreffen müsste, um das schwarze Loch wieder zu verlassen. Selbst Licht kann also aus einem solchen Objekt nicht mehr entweichen – daher der Name. Die enorme Helligkeit mancher zentraler Schwarzer Löcher in den sogenannten Quasaren rührt von Materie her, die sich in einer rotierenden Scheibe um das Loch extrem erhitzt und dabei enorme Strahlung freisetzt, bevor sie im Zentrum für immer verschwindet.

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Abbildung 2: Das Teleskop des Gemini-Nord-Observatoriums auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Der Laserstrahl dient den Astronomen zur Messung von Turbulenzen in der Erdatmosphäre, um mittels adaptiver Optik die Bildschärfe der aufgenommenen Daten in Echtzeit zu optimieren. Bild vergrößern
Abbildung 2: Das Teleskop des Gemini-Nord-Observatoriums auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Der Laserstrahl dient den Astronomen zur Messung von Turbulenzen in der Erdatmosphäre, um mittels adaptiver Optik die Bildschärfe der aufgenommenen Daten in Echtzeit zu optimieren.


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Abbildung 1: Die Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops zeigt in der Bildmitte die große Galaxie M60 und darunter die ultrakompakte Zwerggalaxie M60-UCD1, in der das supermassereiche Schwarze Loch gefunden wurde. Zu der Gruppe gehört auch die Spiralgalaxie NGC4647 oben rechts.

Abbildung 2: Das Teleskop des Gemini-Nord-Observatoriums auf dem Mauna Kea auf Hawaii. Der Laserstrahl dient den Astronomen zur Messung von Turbulenzen in der Erdatmosphäre, um mittels adaptiver Optik die Bildschärfe der aufgenommenen Daten in Echtzeit zu optimieren.

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