Seltsame schwarze Löcher könnten Geheimnisse des frühen Universums bergen.
Das Herz unserer Galaxie ist ein gieriges Monster. Wie der mythologische Kammapa des Volkes der Sotho aus dem südlichen Afrika hat das zentrale, supermassive Schwarze Loch der Milchstraße fast alles, was es umgibt, verschlungen und wurde immer schwerer, je mehr es frisst. Doch es ist nicht allein. Schwarze Löcher mit einem Gewicht von Tausenden, Millionen oder sogar Milliarden Sonnen sitzen im Zentrum nahezu aller bekannten massereichen Galaxien.
Jahrzehntelang dachten Wissenschaftler, dass sie solche Giganten nur dort finden würden, weil nur massereiche Galaxien genug Material hatten, um den übermäßigen Appetit der Monster zu stillen. Aber seit etwa zwei Jahrzehnten ergaben Computer-Simulationen der frühesten Schwarzen Löcher Merkwürdigkeiten – große Schwarze Löcher, die nicht genau dort waren, wo man sie erwartete. Viele Wissenschaftler erklärten diese Außenseiter damals für bloße Zufälle und lehnten die Ergebnisse ohne weiteres nachzudenken ab.
Aber andere waren nicht so sicher, dass die Außenseiter abgeschrieben werden sollten. Wenn man beobachten kann, dass diese ungewöhnlichen Schwarzen Löcher im nahen Universum existieren, könnten diese Astrophysiker spekulieren, dass sie ungeahnte Hinweise auf die Anfänge und Adoleszenz des Universums sind.
„Wir können durch das Betrachten von Dingen, die uns sehr nahe sind, verrückterweise über den Superanfang des Universums lernen“, sagt die theoretische Astrophysikerin Jillian Bellovary vom Queensborough Community College in New York City.
Diese Vorstellung blieb jahrelang nur eine Idee. Aber jetzt ist die Existenz dieser Außenseiter nicht mehr so leicht zu ignorieren. Astronomen haben Anzeichen für eine Reihe von unerwartet massiven Schwarzen Löchern in den kleinsten Galaxien des Universums gefunden, und überraschenderweise scheinen einige dieser Schwarzen Löcher nicht im Zentrum ihrer Galaxien zu sitzen. Noch interessanter ist, dass Astronomen Hinweise auf Schwarze Löcher gefunden haben, die am Rand ihrer Galaxien wandern, und in seltenen Fällen aus ihren Heimatgalaxien ins intergalaktische Raum gestoßen wurden.
Vielleicht sind diese Schwarzen Löcher nicht nur kosmische Nonkonformisten, sondern große Spieler in der Geschichte unseres Universums. Wenn dies der Fall ist, sind sie ein Werkzeug zur Untersuchung eines der größten Rätsel in der Astrophysik - wie die kosmischen Kammapas entstanden sind, die wir heute sehen.
„Ohne zu verstehen, was Schwarze Löcher tun, kann man die Entwicklung von Galaxien nicht verstehen“, sagt Xiaohui Fan, Kosmologe an der Universität von Arizona in Tucson und macht es unmöglich, die Landschaft des Universums zu erklären.
Unser gegenwärtiges kosmologisches Verständnis, wie Schwarze Löcher so groß werden konnten, läuft etwa so ab: Wenn Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit wachsen, zusammenstoßen und sich verschmelzen, nehmen sie neue Sterne, Gas und Staub auf. Die Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien wachsen im Gleichschritt und wachsen, indem sie miteinander verschmelzen und das neu erworbene Material fressen. Eine grobe Schätzung legt das Gewicht eines supermassiven Schwarzen Lochs irgendwo um ein tausendstel der Masse seiner Heimatgalaxie.
In diesem Szenario gingen die kleinsten Galaxien des Universums, Zwerggalaxien genannt, wahrscheinlich in der Vergangenheit nicht durch viele Fusionen. Mit einem Gewicht von nur etwa einem Billionstel der Masse der Milchstraße sollten sie relativ kleine Schwarze Löcher haben oder gar keine.
Aber in den späten 2000er Jahren half die Astrophysikerin Marta Volonteri vom Institut d'Astrophysique de Paris an der Sorbonne-Universität, Computer-Simulationen durchzuführen, die die Evolution von massiven Schwarzen Löchern von ihrer Geburt bis heute verfolgten. In diesen Bemühungen konnten sogar die kleinsten Galaxien überraschend große Schwarze Löcher haben, fast sofort nach ihrer Entstehung. Im Laufe der Zeit wuchsen einige dieser Galaxien nicht oder verschmolzen nicht mit anderen, was sie nach Milliarden von Jahren kosmischer Evolution unversehrt zurückließ.
Marta Volonteri und ihre Kollegen hatten eine verrückte Idee: Diese Galaxien und ihre Schwarzen Löcher waren Überbleibsel der Geburt des Universums. Wenn massereiche Schwarze Löcher in Zwerggalaxien existierten und wenn Astronomen sie finden könnten, wären diese Schwarzen Löcher ein beispielloser Einblick in die Entstehung der ersten Schwarzen Löcher.
Die ersten Hinweise, dass sie existieren, stammen von einem glücklichen Zufall, den die Astronomin Amy Reines hatte. Vor mehr als einem Jahrzehnt studierte sie im Graduiertenkolleg an der Universität von Virginia in Charlottesville Teleskopdaten einer Zwerggalaxie, die 30 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt war. Sie war voll mit Sternen, und Reines versuchte mehr darüber zu erfahren, wie diese heißen Gaskugeln entstehen.
Zunächst untersuchte Reines Daten der Galaxie, namens Henize 2-10, in Radiowellen und nah-infrarotem Licht. Sie entdeckte eine kosmische Baby-Rassel, eine etwa 300 Lichtjahre lange Brücke aus Gas, die zwei staubige Bälle umhüllt, in denen sich neu entstehende Sterne sammeln. Ein tieferer Blick in die Daten enthüllte extreme Radioumweltpunkte direkt in der Mitte der Rassel, zusammen mit hellen Röntgenstrahlen am selben Ort, Anspielungen auf ein riesiges Schwarzes Loch mit einer Masse von einer Million Sonnen.
„Das hatte ich vorher noch nie gesehen“, sagt Reines, derzeit an der Montana State University in Bozeman. Bei Zwerggalaxien hatte auch sie angenommen, dass sie keine großen Schwarzen Löcher haben sollten. Sie blieb skeptisch gegenüber ihrer Interpretation, bis sie einige Monate später an einer Veranstaltung in Seattle auf der American Astronomical Society Meeting 2011 teilnahm.
Dort stellte Bellovary, damals Forscherin an der University of Michigan in Ann Arbor und in Zusammenarbeit mit Volonteri, neue Simulationen der Galaxienentstehung vor. Bellovary beschrieb die Entstehung von Galaxien mit unterschiedlichen Massen und Historien und diskutierte, wie die Ergebnisse Vorhersagen darüber machen könnten, wie massive Schwarze Löcher im Universum verteilt sind.
Wie Volonteris frühere Arbeit legten auch Bellovarys Simulationen nahe, dass nicht nur große Galaxien große Schwarze Löcher beherbergen; auch schmächtige Galaxien könnten sie haben.
In derselben Sitzung stellte Reines ihre Entdeckung der Zwerggalaxie Henize 2-10 und ihres uncharakteristisch massiven Schwarzen Lochs heraus. Wie zwei sich umkreisende und dann kollidierende schwarze Löcher trafen unerwartete Computersimulationen auf unerwartete realitätsnahe Beobachtungen.
Die gemeinsame Arbeit legte nahe, dass nicht nur massereiche Galaxien große Schwarze Löcher haben, sondern vielleicht auch die Mehrheit der Galaxien, sagt Fan. Das warf viele neue Fragen darüber auf, wie Schwarze Löcher und Galaxien gemeinsam heranwachsen.
Nachdem sie Bellovarys Vortrag gehört und ihre eigenen Ergebnisse veröffentlicht hatte, verschob Reines ihren Forschungsschwerpunkt von der Entstehung von Sternen auf die Suche nach großen Schwarzen Löchern. Die Ungeheuer zogen sie an. Sie startete eine Suche nach ihnen in Zwerggalaxien. Wie andere Astronomen beschloss sie, den Himmel nach den Ringen kosmischer Krümel abzusuchen, die hell um fütternde Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien brennen - aktive galaktische Kerne. Dort sollten sich Schwarze Löcher befinden, dachte sie. "Ich meine, es steht im Namen, aktive galaktische Kerne", erklärt sie.
Reines durchforstete Daten des Sloan Digital Sky Survey nach den sichtbaren Lichtsignalen zentraler Schwarzer Löcher. Von den rund 25.000 Zwerggalaxien in ihrer Analyse schienen 151 von ihnen ein großes Schwarzes Loch zu beherbergen, berichtete sie und ihre Kollegen 2013.
Volonteri sagt, sie sei von den Ergebnissen begeistert gewesen. Sie bestätigten ihre wilde Idee, dass Zwerggalaxien wirklich große Schwarze Löcher haben könnten, und möglicherweise könnten diese Schwarzen Löcher uns etwas über die ersten Schwarzen Löcher sagen.
Ein wichtiger Hinweis könnte in den Massen der Schwarzen Löcher der Zwerggalaxien liegen. Die beiden führenden Ideen zur Entstehung der ersten Schwarzen Löcher schaffen Schwarze Löcher unterschiedlicher Massen. Eine Idee nimmt an, dass diese Schwarzen Löcher aus der Implosion der ersten Sterne entstanden sind und tendenziell relativ leichtgewichtig wären. Die andere Idee legt nahe, dass die ersten Schwarzen Löcher aus der direkten Kollabierung riesiger Gaswolken entstanden sind und schwerer wären. Wenn die Gaswolken-Idee zutrifft, könnte dies ein anderes kosmisches Rätsel erklären: Wie Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell so groß wurden. "Wir beobachten sie, und sie sind bereits riesig", sagt Bellovary. Wenn die Geschichte des Universums auf einer Uhr angezeigt würde, hätten diese Monster nur wenige Sekunden Zeit, um sich zu bilden, erklärt sie.
Wenn große Schwarze Löcher in Zwerggalaxien tatsächlich antike Relikte aus dem frühen Universum sind, sollten ihre Massen den Massen der ersten Schwarzen Löcher ähneln. Falls dies der Fall ist, könnten sie erklären, wie die Samen einiger der massereichsten Schwarzen Löcher, die wir heute sehen, entstanden sind.
Laut einer aktuellen Schätzung wiegt das Schwarze Loch in Henize 2-10 einige Millionen Sonnen (SN: 9/11/21, S. 12). Das ist ein Datenpunkt zugunsten der direkten Kollaps-Idee, aber es ist nur eine Messung mit vielen Annahmen. Die Messung von Massen von Schwarzen Löchern ist derzeit keine leichte Aufgabe.
In Computersimulationen tauchen große Schwarze Löcher nicht nur im Zentrum von Galaxien auf. Simulationen sagen voraus, dass diese Galaxie viele in ihrem Halo hat (schwarze Kreise). Die fünf massivsten Schwarzen Löcher (orange) umfassen vier, die nicht zentriert sind. simulierte Gas- und Röntgensichtweisen zeigen, wie diese Schwarzen Löcher auf Teleskopbildern für Astronomen erscheinen könnten.
Glücklicherweise gibt es noch eine andere Möglichkeit, einen Hinweis auf die Massen früher Schwarzer Löcher zu erhalten. Es stützt sich stark auf einen weiteren Typ von Exoten - große Schwarze Löcher, die nicht genau im Zentrum von Zwerggalaxien sitzen.
Als Bellovary 2011 ihre Simulationen teilte, war die Idee von großen Schwarzen Löchern in schmächtigen Galaxien nicht die einzige Überraschung. Ihre Arbeit prognostizierte auch, dass einige Kammapas von ihren galaktischen Zentren abweichen würden, um um die Ränder der Zwergsterne zu wandern, nachdem sie gescheitert waren, in ihre Kerne zu fallen.
“Ich denke gerne an Ausreißer, an die seltsamen kleinen Außenseiter oder Nonkonformisten”, sagt Bellovary. Sie entschied sich, ihre Simulationen erneut durchzuführen und zoomte auf die kleinsten Galaxien. Dabei stellte sie fest, dass die Hälfte der massereichen Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien nicht im Zentrum sein sollten, berichtete sie Anfang 2019 in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Als wäre es ein Zeichen, kamen Reines und ihre Kollegen wenige Monate später mit Beobachtungen, die Bellavors Simulationen stützten. Mit Hilfe des Very Large Array von Radio-Teleskopen in New Mexico hatten Reines und ihre Kollegen Emissionen aus 111 Zwerggalaxien untersucht, von denen 13 wahrscheinlich große Schwarze Löcher hatten. Von diesen 13 großen Schwarzen Löchern schienen sich einige vom Zentrum ihrer Galaxien zu befinden (SN: 6/22/19, S. 12).
Die Entdeckung von Wanderern war ein Jackpot. “Sobald ein Schwarzes Loch zu wandern beginnt, wächst es nicht mehr an Masse,” sagt Volonteri. Die am wenigsten massereichen Wanderer sollten etwa der Anfangsmasse der allerersten Schwarzen Löcher entsprechen und somit ein guter Proxy für die Samen sein, die später zu supermassiven Schwarzen Löchern heranwachsen würden.
Leider ist die Masse von Wanderern noch schwerer zu bestimmen als die von Kammapas, die sich im Zentrum ihrer Galaxien befinden. Die Forscher wenden sich daher der Gesamtzahl dieser Wanderer zu, um Hinweise zu erhalten. Wenn die ersten Schwarzen Löcher - die Samen der heutigen supermassereichen Schwarzen Löcher - aus dem direkten Kollaps riesiger Gaswolken entstanden sind, die in Galaxien strömten, sollten Wanderer in Zwerggalaxien nicht sehr verbreitet sein, erklärt Volonteri. Das liegt daran, dass die Umwandlung der Masse einer Gaswolke in ein massereiches Schwarzes Loch schwierig ist und daher ein seltener Vorgang sein sollte. Eine einfachere Möglichkeit zur Bildung früher Schwarzer Löcher - durch die Implosion der ersten Sterne - würde zu vielen mehr Wanderern führen.
Eine weitere mögliche Szenario, das die Wissenschaftler jetzt in Betracht ziehen, ist, ob Fusionen früher Sterne oder Schwarzer Löcher in dichten Galaxiekernen die Samen der supermassiven Schwarzen Löcher gebildet haben könnten. Dieser Prozess würde auch zu vielen Wanderern führen. Aber diese Schwarzen Löcher wären etwas massiver als solche, die aus stellarem Kollaps entstanden sind.
Weil immer wieder Hinweise auf Wanderer auftauchen, neigen Forscher von der Idee des direkten Kollaps ab. Um jedoch ein besseres Verständnis davon zu bekommen, wie große Schwarze Löcher entstanden sind, müssen Forscher nicht nur in der nahen Umgebung, sondern auch weiter zurück in der Zeit eine Volkszählung von Wanderschwarzen Löchern durchführen, sagt Angelo Ricarte vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass. Wir müssen wissen, ob das, was jetzt passiert, ähnlich ist wie das, was damals geschah, weil das Umfeld im frühen Universum sehr unterschiedlich war.
“Ich denke gerne an Ausreißer, an die seltsamen kleinen Außenseiter oder Nonkonformisten.”
Scheinbar haben auch große Galaxien Wanderer, die mit zehnfacher Geschwindigkeit durch ihre Gastgebergalaxien fliegen wie Wanderer in Zwerggalaxien.
Die Wissenschaftler sind sich jedoch nicht ganz sicher, ob diese Schwarzen Löcher, die sich losgelöst haben, echt sind. Als eines 2003 in den Simulationen von Volonteri auftauchte, wurde es von Wissenschaftlern ignoriert. Die Schlussfolgerung wurde von Skeptikern in Frage gestellt, als Astronomen später helle blinkende Röntgensignale von Kandidatenpekuniären Schwarzen Löchern bekannt gaben.
Vor mehreren Jahren lieferten ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops und Daten von anderen Observatorien Evidenz für ein Schwarzes Loch mit der Masse von einer Milliarde Sonnen, das an den Rand seiner Galaxie geworfen wurde (SN: 4/29/17, S. 16). Und früher in diesem Jahr enthüllten Bilder von Hubble und dem Keck-Observatorium die Möglichkeit von einer Trifektion von supermassiven Schwarzen Löchern, die miteinander interagieren, wobei eines so viel Schwung erhält, dass es ins intergalaktische All geworfen wurde (SN: 4/8/23, S. 11). Aber ein separates Team schlägt vor, dass das, was einige Wissenschaftler als abtrünnigen Schwarzen Löcher bezeichnen, stattdessen eine Galaxie ist, die von der Kante aus betrachtet wird.
Volonteri verfolgt weiterhin jeden Kandidaten, auch andere seltsame Schwarze Löcher, die Astronomen vorgeschlagen haben. Sie müssen alle irgendwie in unser volles Verständnis der Geschichte der supermassereichen Schwarzen Löcher passen, sagt sie. Und einmal mehr könnten Hinweise darauf geben, wie oft sie in Beobachtungen auftauchen und somit ein Bild der Gesamtsituation ergeben.
Wenn Beobachtungen zeigen, dass langsam bewegende Wanderer häufig vorkommen, sind Zusammenstöße und Fusionen wirklich großer Schwarzer Löcher offensichtlich selten. Langsam wandernde wären mit anderen Schwarzen Löchern nicht interagiert und haben daher keinen zusätzlichen Schwung im Vergleich zu den um sie herum befindlichen Sternen gewonnen. Die Geschichte des Universums würde uns zeigen, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher, die wir heute sehen, nicht durch wiederholte Fusionen gewachsen sind. Wenn jedoch viele supermassereiche Schwarze Löcher aus den Zentren ihrer Galaxien in die entfernten Ränder geschossen werden, müssen Schwarze-Löcher-Interaktionen, einschließlich Fusionen, häufig sein, so Volonteri.
With a few dozen candidate oddballs in dwarf galaxies and only a few far-flung rogue candidates identified, the picture is not yet clear. What we do know, Fan explains, is that understanding cosmic evolution requires a good sense of the birth and evolution of the “dark sector” of galaxies — including black holes.
More observational evidence of oddballs would help, and more astronomers have joined the search. In 2021, a team including Reines and Mallory Molina of the University of Utah in Salt Lake City reported a new way to spot signs of massive black holes in dwarfs, specifically if the behemoths are feeding on gas and dust. The technique searches dwarfs for a red glow given off by an unusual type of iron. And a team from Dartmouth reported last year that very-high-energy X-rays may also reveal obscure behemoths.
Future observatories may aid in the hunt too. The Vera C. Rubin Observatory, located in Chile and slated to turn on next year, can sweep the skies looking for wanderers. And the next-generation Very Large Array, a proposed radio observatory, will be sensitive enough to spot signs of black holes in dwarf galaxies.
With the goal of detecting collisions of very massive black holes, the Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, and the proposed Einstein Telescope may one day offer clues to how common cataclysmic black hole interactions are and have been.
Time and new technology will tell. For now, oddball black holes spark our imagination, prompting us to ask big questions and uncover new evidence in the pursuit of a deeper understanding of cosmic history. With each purported discovery, you can’t help but wonder: What else is hidden out there? Perhaps there are other oddities not yet discovered that could tie us to the earliest universe, Bellovary says, and reveal our cosmic origins. But only if we’re willing to chase the misfits and their stories.
