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Astronomie+Physik

Galaxien im Netz eines Schwarzen Lochs

Quasarnetz
Diese künstlerische Darstellung zeigt das zentrale schwarze Loch und die in seinem Gasnetz eingeschlossenen Galaxien. (Bild: ESO/L. Calçada)

Schon im frühen Universum gab es überraschend massereiche Schwarze Löcher. Doch woher sie das „Futter“ bekamen, um so schnell zu wachsen, blieb rätselhaft. Jetzt liefert eine astronomische Entdeckung eine Antwort. Forscher haben ein supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das eng von sechs in Gasfilamenten eingebetteten Galaxien umgeben ist. Dieses Ensemble erstreckt sich über das 300-fache Volumen der Milchstraße und existierte bereits, als das Universum erst 0,9 Milliarden Jahre alt war. Die Präsenz von so viel Materie im Umfeld des Schwarzen Lochs könnte ihm die nötige Nahrung für das rasche Wachstum geliefert haben.

In den letzten Jahren haben Astronomen mehrere Dutzend ferne Galaxien mit hochaktiven und massereichen Schwarzen Löchern entdeckt, die innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sein müssen. Diese aktiven Galaxienkerne senden als sogenannte Quasare so viel Licht aus, dass sie trotz der enormen Entfernungen sichtbar sind. Viele der im Zentrum dieser Galaxien sitzenden supermassereichen Schwarzen Löcher vereinen mehrere Milliarden Sonnenmassen in sich und strahlen heller als Billionen Sonnen. Das weckt die Frage, wie diese Schwerkraftgiganten in der relativ kurzen Zeit nach dem Urknall und der Entstehung der ersten Sterne so stark wachsen konnten. Denn um an Masse zuzulegen, müssen die Schwarzen Löcher größere Mengen an Materie in sich aufsaugen. Astronomen vermuten zudem, dass zusätzlich mehrere kleinere Vorgänger-Löcher miteinander zu einem größeren verschmolzen sind. Doch die nötige Nahrung für diese Objekte war in der Frühzeit des Universums noch eher rar.

Kosmisches Spinnennetz

„Es handelt sich dabei um extreme Systeme, für deren Existenz wir bisher keine gute Erklärung hatten“, sagt Erstautor Marco Mignoli vom Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Bologna. Um mehr Aufschluss zu gewinnen, haben er und sein Team mehrere frühe Quasare mit den leistungsstärksten zurzeit verfügbaren optischen Teleskopen untersucht, darunter auch dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Beim Quasar SDSS J1030+0524 wurden sie fündig. Dieses supermassereiche, aktive Schwarze Loch umfasst rund eine Milliarde Sonnenmassen und existierte bereits 0,9 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen enthüllten jedoch, dass dieser Schwerkraftgigant nicht allein im All schwebte: Er ist von sechs Galaxien umgeben, die in einer Art kosmischem Spinnennetz aus Gas eingebettet sind. „Die Filamente des kosmischen Netzes sind wie Spinnennetzfäden“, erklärt Mignoli. „Die Galaxien liegen und wachsen dort, wo sich die Filamente kreuzen.“

Zum ersten Mal wurde eine solch enge Ansammlung aus der Zeit so kurz nach dem Urknall beobachtet, wie die Astronomen erklären. Zusammen erstreckt sich dieses Gebilde über das 300-fache Volumen der Milchstraße. In das Netz aus Gas und Sternenansammlungen ist auch das supermassereiche Schwarze Loch eingebunden. Für vier der sechs Galaxien konnten die Forscher eine direkte Verbindung zum Schwarzen Loch nachweisen. „Entlang der Filamente können Gasströme fließen, die sowohl den Galaxien als auch dem zentralen supermassereichen schwarzen Loch als Nahrung zur Verfügung stehen“, erklärt Mignoli. Wie er und seine Kollegen feststellten, enthalten das „Spinnennetz“ und die Galaxien darin genügend Gas, um dem zentralen Schwarze Loch das „Futter“ zu liefern, damit es so schnell zu einem supermassereichen Riesen werden konnte.

Nahrung für schnelles Wachstum der ersten Schwarzen Löcher

Nach Ansicht der Astronomen könnte die Entdeckung dieses kosmischen Spinnennetzes erklären, woher die ersten großen Schwarzen Löcher ihre Nahrung bekamen. „Unsere Studien haben ein wichtiges Teil zu dem weitgehend unvollständigen Puzzle beigesteuert, das die Entstehung und das Wachstum solch extremer, aber relativ häufig vorkommender Objekte so schnell nach dem Urknall beschreibt“, sagt Mignolis Kollege Roberto Gilli. Denn die Beobachtungen stützen die Vermutung, dass schwarze Löcher damals innerhalb großer, netzartiger Strukturen mit einem hohen Anteil an Gas heranwuchsen. Einer Theorie zufolge bildeten sich solche kosmischen Galaxienansammlungen, weil es im frühen Kosmos riesige Zonen mit einer hohen Dichte an Dunkler Materie gab. Diese Dunkle-Materie-Halos zogen große Mengen an Gas an, aus denen ein dichtes Netz kosmischer Gasfilamente wurde. An den Knotenpunkten dieser Filamente entstanden durch intensive Sternbildung Galaxien und Schwarze Löcher.

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„Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass die am weitesten entfernten und massereichsten schwarzen Löcher in massereichen Halos aus Dunkler Materie in großräumigen Strukturen entstehen und wachsen“, sagt Co-Autor Colin Norman von der Johns Hopkins University in Baltimore. Er führt die Tatsache, dass man nicht schon früher solche „Spinnennetze“ gesehen hat, auf Einschränkungen durch die Beobachtungstechnik zurück – die Lichtstärke und Auflösung der Teleskope reichten einfach nicht aus. Weil sich dies jedoch zunehmend ändert, gehen die Astronomen davon aus, dass sie in Zukunft noch mehr solcher Gebilde entdecken könnten. „Wir denken, dass wir gerade die Spitze des Eisbergs gesehen haben und dass die wenigen Galaxien, die bisher um dieses supermassereiche Schwarze Loch herum entdeckt wurden, nur die hellsten sind“, erklärt Co-Autorin Barbara Balmaverde vom Astrophysikalischen Observatorium Turin.

Quelle: Marco Mignoli (Nationales Institut für Astrophysik (INAF), Bologna) et al., Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202039045

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