Drei supermassereiche schwarze Löcher in einer weit entfernten und damit sehr alten Galaxie lassen erahnen, wie schwarze Löcher im frühen Universum verschmolzen und wuchsen 

• Drei schwarze Löcher in einer Galaxie entdeckt: Forschende haben erstmals drei supermassereiche schwarze Löcher in einer Galaxie (J0148-4214) entdeckt, auf die jeweils aktiv Masse aus deren Umgebung fällt. Deren Masse reicht von wenigen bis etwa 80 Millionen Sonnenmassen. Zwei der schwarzen Löcher liegen eng beieinander im Zentrum der Galaxie, ein drittes befindet sich weiter außen.
• Nachweismethode: Möglich wurde der Nachweis durch räumlich aufgelöste Spektroskopie mit einem Instrument an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops.
• Wachstum schwarzer Löcher: Der Befund liefert Hinweise darauf, dass Verschmelzungen und Wechselwirkungen im frühen Universum zum schnellen Wachstum supermassereicher schwarzer Löcher beigetragen haben könnten.

Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik hat in der Galaxie J0148-4214 drei aktiv akkretierende supermassereiche schwarze Löcher identifiziert. Gemeint sind damit schwarze Löcher, auf die Materie einfällt, und zwar aus einer Materiescheibe, die die schwarzen Löcher umgibt. Die Galaxie liegt mehr als 12,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Bei der Entfernung kommt zum Tragen, dass sich der Raum des Universums ausdehnt und mit ihm die Galaxien, die sich im Raum befinden. Die Galaxie scheint sich also von uns wegzubewegen, was dazu führt, dass das von der Galaxie empfangene Licht sich zu langen Wellenlängen hin verschiebt. Die sogenannte Rotverschiebung beträgt in dem Fall z=5,02, aus der die Forschenden die enorme Entfernung der Galaxie berechnen. Diese ist so weit entfernt, dass ihr Licht 12,5 Milliarden Jahre alt ist. Wir sehen also den Zustand der Galaxie, wie sie nur rund 1,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall aussah. 

„Dies ist der erste Nachweis von drei aktiven schwarzen Löchern in einer einzigen Galaxie im fernen Universum“, sagt Hannah Übler, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Erstautorin der Studie. Zwei der schwarzen Löcher befinden sich nah beieinander im galaktischen Zentrum, nur etwa 620 Lichtjahre voneinander entfernt. Ein drittes schwarzes Loch liegt im äußeren Bereich der Galaxie, etwa 5.500 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. „Das legt nahe, dass Prozesse im frühen Universum massive schwarze Löcher effizient zusammenbringen konnten und damit die Voraussetzungen für die Verschmelzungen massereicher schwarzer Löcher schufen, die mit zukünftigen Gravitationswellenobservatorien nachgewiesen werden können“, sagt Übler. Denn die Theorien der Entwicklung von Galaxien gehen auch auf Basis von Beobachtungen davon aus, dass sich früh im Universum Galaxien sehr nahe gekommen sind und miteinander verschmolzen. Dabei kamen sich auch die schwarzen Löcher im Zentrum sehr nahe, verschmolzen mit der Zeit und es entstanden schwarze Löcher mit umso höheren Massen in den Zentren der verschmolzenen Galaxien.  

Die Forschenden identifizierten die schwarzen Löcher anhand ihres spektralen Fingerabdrucks im Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec-IFS) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops. Sie suchten nach charakteristischen Signaturen von Wasserstoffatomen, die sich im Gravitationsfeld der schwarzen Löcher mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Von der Erde aus betrachtet scheint das Wasserstoffgas sich also entweder von uns weg oder auf uns zuzubewegen, was durch den sogenannten Doppler Effekt zu einer Verschiebung der Wasserstoff-Spektrallinie führt. Dieser Effekt ist lokal und nicht zu verwechseln mit der Rotverschiebung durch die Expansion des Universums. In letzterem Fall dehnen sich die Lichtwellen einzig und allein durch die Expansion des Raums und wirken damit umso röter, je weiter eine Galaxie von uns weg ist.

Im zentralen Bereich der Galaxie J0148-4214 zeigt das Spektrum eine komplexe Struktur, die sich am besten durch zwei eng benachbarte schwarze Löcher erklären lässt. Um diese beiden Quellen voneinander zu trennen, nutzte das Team Spektroastrometrie, eine Methode, mit der sich kleinste räumliche Verschiebungen der Emissionslinien über die Galaxie hinweg präzise messen lassen. So konnten die Positionen der schwarzen Löcher bestimmt werden, obwohl sie sich auf den Bildern nicht als getrennte Punktquellen auflösen lassen. Ein drittes schwarzes Loch ließ sich im äußeren Bereich der Galaxie nachweisen.

Die Analyse ergibt Schwarz-Loch-Massen von etwa 80 Millionen, 0,6 Millionen und 2 Millionen Sonnenmassen. Bemerkenswert ist, dass das massereichste schwarze Loch mit geringerer Rate wächst als das nahe gelegene schwarze Loch mit 0,6 Millionen Sonnenmassen, das pro Zeit mehr Materie in sich aufnimmt als Forschende es bei dieser Masse erwarten würden.

„Die Daten des James-Webb Teleskops erlaubten es uns nicht nur, die drei schwarzen Löcher zu identifizieren, sondern auch ihre Massen, Akkretionsraten und die Sternmasse der Galaxie abzuschätzen“, sagt Giovanni Mazzolari, Zweitautor der Studie und Forscher am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Wir finden eine gesamte Sternmasse von etwa 1,3 Milliarden Sonnenmassen, und die schwarzen Löcher machen davon einen erheblichen Anteil aus.“

Das zentrale Paar der schwarzen Löcher dürfte innerhalb der nächsten wenigen hundert Millionen Jahre miteinander verschmelzen. „Diese Ergebnisse sind außerordentlich spannend“, ergänzt Roberto Maiolino, Professor an der University of Cambridge und Co-Autor der Studie. „Sie legen nahe, dass Verschmelzungen von schwarzen Löchern im frühen Universum ein zusätzlicher, schneller Weg für ihr rasches Wachstum gewesen sein könnten.“

Das dritte schwarze Loch im Außenbereich der Galaxie könnte das Überbleibsel einer früheren Verschmelzung sein und durch einen gravitativen Rückstoß aus dem Zentrum herausgeschleudert worden sein oder derzeit in Richtung Zentrum wandern.

Die Beobachtungen zeigen, dass bildgebende Spektroskopie ein wichtiges Werkzeug ist, um in sehr weit entfernten Galaxien mehrere aktive schwarze Löcher zu identifizieren. Ohne die räumlich aufgelösten Informationen des James-Webb-Weltraumteleskops wäre wahrscheinlich nur eines der drei Schwarzen Löcher entdeckt worden.