Die meisten großen Galaxien beherbergen zentrale supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen, die Millionen oder sogar Milliarden Sonnen entsprechen. Manche, wie die im Zentrum der Milchstraße, liegen still. Andere, sogenannte Quasare, fressen so viel Gas, dass sie ihre Wirtsgalaxien in den Schatten stellen und sogar im ganzen Universum sichtbar sind.
Obwohl ihr brillantes Licht über alle Wellenlängen variiert, geschieht dies zufällig – es gibt keine Regelmäßigkeit in den Spitzen und Einbrüchen der Helligkeit. Jetzt haben Matthew Graham vom Caltech und seine Kollegen eine Ausnahme von der Regel gefunden.
Quasar PG 1302-102 zeigt eine ungewöhnliche sich wiederholende Lichtsignatur, die wie eine Sinuskurve aussieht. Astronomen glauben, dass sich hinter dem Licht zwei supermassereiche Schwarze Löcher in den Endphasen einer Verschmelzung verbergen – etwas, das theoretisch vorhergesagt, aber noch nie zuvor gesehen wurde. Wenn die Theorie zutrifft, könnten Astronomen in der Lage sein, zwei Schwarze Löcher auf dem Weg zu einer Kollision von unglaublichem Ausmaß zu beobachten.
Die Lichtkurve kombiniert Daten von zwei CRTS-Teleskopen (CSS und MLS) mit historischen Daten aus den LINEAR- und ASAS-Durchmusterungen. Bildquelle: Graham et al.
Graham und seine Kollegen entdeckten den ungewöhnlichen Quasar aus einer Laune heraus. Ihr Ziel war es, die Quasarvariabilität mit Hilfe der Catalina-Transienten-Umfrage in Echtzeit (CRTS), das drei bodengestützte Teleskope verwendet, um etwa 500 Millionen Objekte zu überwachen, die über 80 Prozent des Himmels verstreut sind, als etwa 20 periodische Quellen auftauchten.
Von diesen 20 periodischen Quasaren war PG 1302-102 der vielversprechendste. Es hatte ein starkes Signal, das sich alle fünf Jahre oder so zu wiederholen schien. Aber was verursacht das sich wiederholende Signal?
Die Schwarzen Löcher, die Quasare antreiben, emittieren kein Licht. Stattdessen stammt das Licht von der heißen Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch speist. Auch umlaufende Gaswolken, die von der Scheibe erhitzt und ionisiert werden, tragen in Form von sichtbaren Emissionslinien bei.
„Wenn Sie die Emissionslinien in einem Spektrum eines Objekts betrachten, sehen Sie in Wirklichkeit Informationen über die Geschwindigkeit – ob sich etwas auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt und wie schnell. Es ist der Doppler-Effekt“, sagte Eilat Glikman, Koautor der Studie vom Middlebury College in Vermont, in a Pressemitteilung. „Bei Quasaren hat man normalerweise eine Emissionslinie, und diese Linie ist eine symmetrische Kurve. Aber bei diesem Quasar war es notwendig, eine zweite Emissionslinie mit einer etwas anderen Geschwindigkeit als die erste hinzuzufügen, um die Daten anzupassen. Das deutet darauf hin, dass etwas anderes, wie ein zweites Schwarzes Loch, dieses System stört.“
Ein dichter supermassereicher Schwarzer-Loch-Binärspeicher ist also die wahrscheinlichste Erklärung für diesen seltsam periodischen Quasar.
„Bis jetzt waren die einzigen bekannten Beispiele supermassereicher Schwarzer Löcher auf ihrem Weg zu einer Verschmelzung Zehn- oder Hunderttausende von Lichtjahren voneinander entfernt“, sagte Studienkoautor Daniel Stern vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. „Bei so großen Entfernungen würde es viele Millionen oder sogar Milliarden von Jahren dauern, bis es zu einer Kollision und Verschmelzung kommt. Im Gegensatz dazu sind die Schwarzen Löcher in PG 1302-102 höchstens einige Hundertstel Lichtjahre voneinander entfernt und könnten in etwa einer Million Jahren oder weniger verschmelzen.“
Astronomen sind sich jedoch nicht sicher, welcher physikalische Mechanismus für das sich wiederholende Lichtsignal des Quasars verantwortlich ist. Es ist möglich, dass ein Quasar Material von seiner Akkretionsscheibe in Jets schleudert, die sich wie Strahlen eines Leuchtturms drehen. Oder vielleicht ist ein Teil der Akkretionsscheibe selbst dicker als der Rest, wodurch das Licht an bestimmten Stellen in ihrer Umlaufbahn blockiert wird. Oder vielleicht wirft die Akkretionsscheibe regelmäßig Material auf das Schwarze Loch ab, was zu periodischen Energieausbrüchen führt.
„Obwohl es eine Reihe praktikabler physikalischer Mechanismen hinter der Periodizität gibt, die wir sehen – entweder der präzessierende Jet, die verzogene Akkretionsscheibe oder das periodische Dumping – werden diese alle immer noch im Wesentlichen durch ein enges Binärsystem verursacht“, sagte Graham.
Astronomen haben immer noch keinen guten Überblick darüber, was in den letzten Lichtjahren einer Verschmelzung Schwarzer Löcher passiert. Und natürlich werden diese beiden Schwarzen Löcher noch Tausende bis Millionen von Jahren nicht kollidieren. Selbst darauf zu achten, dass sich der Zeitraum verkürzt, während sie sich nach innen drehen, würde die menschlichen Zeitskalen in den Schatten stellen. Aber die Entdeckung eines Systems so spät im Spiel erweist sich als vielversprechend für zukünftige Arbeiten.
Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.