In einer vier Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie sind drei supermassereiche Schwarze Löcher in einer wirbelnden Umarmung eingeschlossen. Es ist das dichteste Trio von Schwarzen Löchern, das bisher bekannt ist, und deutet sogar darauf hin, dass diese dicht gepackten Systeme häufiger vorkommen als bisher angenommen.
„Was für mich außergewöhnlich bleibt, ist, dass diese Schwarzen Löcher, die am äußersten Ende von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie stehen, sich mit 300-facher Schallgeschwindigkeit auf der Erde umkreisen“, sagte Hauptautor Roger Deane von der University of Cape Stadt in a Pressemitteilung.
„Darüber hinaus können wir mit den kombinierten Signalen von Radioteleskopen auf vier Kontinenten dieses exotische System auf einem Drittel des Weges durch das Universum beobachten. Ich bin sehr aufgeregt, da dies nur an der Oberfläche einer langen Liste von Entdeckungen kratzt, die mit dem Square Kilometre Array ermöglicht werden.“
Das System mit dem Namen SDSS J150243.091111557.3 war zuerst als Quasar identifiziert – ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das schnell Material ansammelt und hell leuchtet – vor vier Jahren. Aber sein Spektrum war etwas verrückt, da seine doppelt ionisierte Sauerstoffemissionslinie [OIII] in zwei Peaks statt in einen aufgeteilt war.
Eine günstige Erklärung deutete darauf hin, dass sich im Kern der Galaxie zwei aktive supermassereiche Schwarze Löcher versteckten.
Eine aktive Galaxie weist typischerweise schmale Emissionslinien mit einem einzigen Spitzenwert auf, die von einer umgebenden Region aus ionisiertem Gas stammen, sagte Deane gegenüber Universe Today. Die Tatsache, dass diese aktive Galaxie Emissionslinien mit zwei Spitzen aufweist, deutet darauf hin, dass es zwei umgebende Regionen aus ionisiertem Gas und damit zwei aktive supermassereiche Schwarze Löcher gibt.
Aber eines der supermassiven Schwarzen Löcher war in Staub eingehüllt. Also gruben Deane und Kollegen ein wenig weiter. Sie verwendeten eine Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI), mit der Teleskope miteinander verbunden werden können, indem Signale kombiniert werden, die bis zu 10.000 km voneinander entfernt sind, um Details zu sehen, die 50-mal größer sind als beim Hubble-Weltraumteleskop.
Beobachtungen aus dem Europäisches VLBI-Netzwerk – eine Anordnung europäischer, chinesischer, russischer und südamerikanischer Antennen – ergab, dass das staubbedeckte supermassive Schwarze Loch erneut aus zwei statt einem bestand, was das System insgesamt zu drei supermassiven Schwarzen Löchern macht.
Das VLBI-Netzwerk. Bildquelle: Roger Deane
„Das war so überraschend“, sagte Deane gegenüber Universe Today. „Unser Ziel war es, die beiden vermuteten Schwarzen Löcher zu bestätigen. Wir hatten nicht erwartet, dass einer davon tatsächlich zwei waren, was nur vom europäischen VLBI-Netzwerk aufgrund der sehr feinen Details, die es erkennen kann, enthüllt werden konnte.“
Deane und Kollegen durchsuchten sechs ähnliche Galaxien, bevor sie ihr erstes Trio fanden. Die Tatsache, dass sie so schnell einen gefunden haben, deutet darauf hin, dass sie häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Das innere Paar schwarzer Löcher des Tripelsystems aus Sicht des European VLBI Network (EVN). Bildquelle: R. P. Deane et al.
Bis heute waren nur vier Dreifach-Schwarze-Loch-Systeme bekannt, wobei das nächste Paar 2,4 Kiloparsec voneinander entfernt war – ungefähr die 2.000-fache Entfernung von der Erde zum nächsten Stern, Proxima Centauri. Aber das nächste Paar in diesem Trio ist nur durch 140 Parsec getrennt – ungefähr das 10-fache der gleichen Entfernung.
Obwohl Deane und Kollegen sich auf die phänomenale Auflösung der VLBI-Technik verließen, um die beiden nahegelegenen Schwarzen Löcher räumlich zu trennen, zeigten sie auch, dass ihre Anwesenheit von großräumigen Merkmalen abgeleitet werden kann. Die Bahnbewegung des Schwarzen Lochs zum Beispiel wird seinen großen Jets eingeprägt und sie in eine schraubenförmige Form verdreht. Dies kann kleineren Teleskopen ein Werkzeug zur Verfügung stellen, um sie mit viel höherer Effizienz zu finden.
„Wenn das Ergebnis hält, wird es sehr cool“, sagte Jessie Runnoe, Expertin für binäre supermassereiche Schwarze Löcher von der Pennsylvania State University, gegenüber Universe Today. Diese Forschung hat mehrere Implikationen für das Verständnis weiterer Phänomene.
Der erste gibt Aufschluss über die Entwicklung von Galaxien. Zwei oder drei supermassive Schwarze Löcher sind die rauchende Waffe, die die Galaxie mit einer anderen verschmolzen hat. Wenn Astronomen diese Galaxien im Detail betrachten, können sie also verstehen, wie sich Galaxien zu ihren heutigen Formen und Größen entwickelt haben.
Die zweite beleuchtet ein Phänomen, das als Gravitationsstrahlung bekannt ist. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich Gravitationswellen – Kräuselungen im Gefüge der Raumzeit selbst – in den Weltraum ausbreiten, wenn sich eines der zwei oder drei supermassiven Schwarzen Löcher nach innen dreht.
Zukünftige Radioteleskope sollen in der Lage sein, Gravitationswellen solcher Systeme beim Zerfall ihrer Umlaufbahnen zu messen.
„In der Zukunft wird uns das Square Kilometre Array ermöglichen, diese Systeme bis ins kleinste Detail zu finden und zu studieren, und es uns wirklich ermöglichen, ein viel besseres Verständnis davon zu gewinnen, wie Schwarze Löcher Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums formen“, sagte Co-Autor Matt Jarvis von den Universitäten Oxford und Western Cape.
Die Forschung wurde heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
