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Mit einem neuen Computermodell haben Astronomen festgestellt, dass das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 mindestens doppelt so groß ist wie bisher angenommen. Mit einem Gewicht des 6,4-Milliarden-fachen der Sonnenmasse ist es das massereichste Schwarze Loch, das je gemessen wurde, und dieses neue Modell legt nahe, dass die akzeptierten Massen von Schwarzen Löchern in anderen großen nahen Galaxien um ähnliche Beträge abweichen könnten. Dies hat Konsequenzen für Theorien über die Entstehung und das Wachstum von Galaxien und könnte sogar ein seit langem bestehendes astronomisches Paradox lösen.
Die Astronomen Karl Gebhardt von der University of Texas at Austin und Jens Thomas vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik erläuterten ihre Ergebnisse am Montag auf der Konferenz der American Astronomical Society im kalifornischen Pasadena.
Um zu verstehen, wie Galaxien entstehen und wachsen, beginnen Astronomen mit grundlegenden Informationen über die heutigen Galaxien, wie beispielsweise, woraus sie bestehen, wie groß sie sind und wie viel sie wiegen. Astronomen messen diese letzte Kategorie, die Masse von Galaxien, indem sie die Geschwindigkeit von Sternen messen, die sich innerhalb der Galaxie bewegen.
Untersuchungen der Gesamtmasse seien wichtig, sagte Thomas, aber „der entscheidende Punkt ist, festzustellen, ob sich die Masse im Schwarzen Loch, in den Sternen oder im dunklen Halo befindet. Sie müssen ein ausgeklügeltes Modell ausführen, um herauszufinden, was was ist. Je mehr Komponenten Sie haben, desto komplizierter ist das Modell.“
Um M87 zu modellieren, verwendeten Gebhardt und Thomas einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, das Lonestar-System der University of Texas im Texas Advanced Computing Center in Austin. Lonestar ist ein Dell Linux-Cluster mit 5.840 Prozessorkernen und kann 62 Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde ausführen. (Der moderne Laptop-Computer der Spitzenklasse hat zwei Kerne und kann bis zu 10 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde ausführen.)
Das Modell von M87 von Gebhardt und Jens war komplizierter als frühere Modelle der Galaxie, da es neben der Modellierung seiner Sterne und des Schwarzen Lochs auch den „dunklen Halo“ der Galaxie berücksichtigt, eine kugelförmige Region, die eine Galaxie umgibt, die sich über ihre Hauptgalaxie hinaus erstreckt sichtbare Struktur, die die mysteriöse „dunkle Materie“ der Galaxie enthält.
„In der Vergangenheit hielten wir den dunklen Halo immer für bedeutend, aber wir hatten nicht die Computerressourcen, um ihn ebenfalls zu erforschen“, sagte Gebhardt. „Vorher konnten wir nur Sterne und Schwarze Löcher nutzen. Werfen Sie in den dunklen Halo, es wird zu rechenintensiv, Sie müssen zu Supercomputern gehen.“
Das Lonestar-Ergebnis war eine Masse für das Schwarze Loch von M87, die mehrmals so hoch war, wie frühere Modelle gefunden haben. „Damit haben wir überhaupt nicht gerechnet“, sagte Gebhardt. Er und Jens wollten ihr Modell einfach an „der wichtigsten Galaxie da draußen“ testen, sagte er.
M87 ist extrem massereich und günstig in der Nähe (in astronomischer Hinsicht) und war eine der ersten Galaxien, die vor fast drei Jahrzehnten vorgeschlagen wurde, ein zentrales Schwarzes Loch zu beherbergen. Es hat auch einen aktiven Jet, der Licht aus dem Kern der Galaxie schießt, wenn Materie näher an das Schwarze Loch wirbelt, was es Astronomen ermöglicht, den Prozess zu untersuchen, durch den Schwarze Löcher Materie anziehen. All diese Faktoren machen M87 zum „Anker für die Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher“, sagte Gebhardt.
Diese neuen Ergebnisse für M87, zusammen mit Hinweisen aus anderen neueren Studien und seinen eigenen jüngsten Teleskopbeobachtungen (Veröffentlichungen in Vorbereitung), lassen ihn vermuten, dass alle Massen Schwarzer Löcher für die massereichsten Galaxien unterschätzt werden.
Diese Schlussfolgerung „ist wichtig für die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und Galaxien“, sagte Thomas. 'Wenn Sie die Masse des Schwarzen Lochs ändern, ändern Sie die Beziehung des Schwarzen Lochs zur Galaxie.' Es besteht eine enge Beziehung zwischen der Galaxie und ihrem Schwarzen Loch, die es den Forschern ermöglicht hat, die Physik des Wachstums von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit zu untersuchen. Die Erhöhung der Massen der Schwarzen Löcher in den massereichsten Galaxien wird dazu führen, dass dieser Zusammenhang neu bewertet wird.
Höhere Massen für Schwarze Löcher in nahegelegenen Galaxien könnten auch ein Paradoxon bezüglich der Massen von Quasaren lösen – aktive Schwarze Löcher in den Zentren extrem weit entfernter Galaxien, die in einer viel früheren kosmischen Epoche beobachtet wurden. Quasare leuchten hell, während das Material sich spiralförmig eindreht und reichlich Strahlung abgibt, bevor sie den Ereignishorizont (die Region, über die hinaus nichts – nicht einmal Licht – entweichen kann) überquert.
„Es gibt ein seit langem bestehendes Problem darin, dass die Massen von Quasar-Schwarzen Löchern sehr groß waren – 10 Milliarden Sonnenmassen“, sagte Gebhardt. „Aber in lokalen Galaxien haben wir noch nie so massereiche Schwarze Löcher gesehen, nicht annähernd. Der Verdacht war vorher, dass die Quasarmassen falsch waren“, sagte er. Aber „wenn wir die Masse von M87 zwei- oder dreimal erhöhen, verschwindet das Problem fast.“
Die heutigen Schlussfolgerungen sind modellbasiert, aber Gebhardt hat auch neue Teleskopbeobachtungen von M87 und anderen Galaxien mit neuen leistungsstarken Instrumenten des Gemini North Telescope und des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte gemacht. Er sagte, dass diese Daten, die in Kürze zur Veröffentlichung eingereicht werden, die aktuellen modellbasierten Schlussfolgerungen über die Masse Schwarzer Löcher unterstützen.
Für zukünftige Teleskopbeobachtungen galaktischer dunkler Halos stellt Gebhardt fest, dass ein relativ neues Instrument an der University of Texas am McDonald Observatory in Austin perfekt ist. „Wenn Sie den Halo untersuchen müssen, um die Masse des Schwarzen Lochs zu erhalten, gibt es kein besseres Instrument als VIRUS-P“, sagte er. Das Instrument ist ein Spektrograph. Es trennt das Licht von astronomischen Objekten in seine Komponentenwellenlängen und erzeugt eine Signatur, die gelesen werden kann, um Entfernung, Geschwindigkeit, Bewegung, Temperatur und mehr eines Objekts zu ermitteln.
VIRUS-P eignet sich gut für Halo-Studien, da es Spektren über einen sehr großen Bereich des Himmels aufnehmen kann, wodurch Astronomen die sehr niedrigen Lichtstärken in großen Entfernungen vom Galaxienzentrum erreichen können, wo der dunkle Halo vorherrscht. Es ist ein Prototyp, der gebaut wurde, um die Technologie zu testen, die in den größeren VIRUS-Spektrographen für das bevorstehende Hobby-Eberly-Teleskop-Dunkelenergie-Experiment (HETDEX) eingeht.
Lesen Sie das Papier des Teams.
Quellen: AAS, McDonald-Observatorium