Sechs Milliarden Sonnen schwer

Forscher wiegen inaktives Schwarzes Loch aus Frühzeit des Universums

Dank eines kosmischen Zufalls blickt ein Astronomenteam zehn Milliarden Jahre in die Vergangenheit. Sie ermitteln erstmals das Gewicht eines inaktiven Schwarzen Lochs. Die Entdeckung liefert neue Hinweise auf das schnelle Wachstum früher Galaxien.

Von Markus Brauer/dpa

Supermassereiche Schwarze Löcher sind die verborgenen Giganten des Kosmos. Sie liegen im Zentrum von Galaxien und prägen durch ihre Schwerkraft deren Entwicklung und Verhalten.

Doch auch unter diesen Riesen gibt es Unterschiede. So ist das zentrale Schwarze Loch unserer Milchstraße, Sagittarius A*, mit rund vier Millionen Sonnenmassen eher schmächtig. Der größte bisher bekannte Vertreter seiner Zunft bringt 33 Milliarden Sonnenmassen auf die Waage.

Erste Masse-Messung eines schlummernden Schwarzen Lochs

Forschern ist jetzt erstmals die direkte Messung der Masse eines inaktiven und schlummernden Schwarzen Lochs aus dem frühen Universum gelungen. Dieses Masse-Monster ist rund sechs Milliarden Mal so schwer wie unsere Sonne und befindet sich im Zentrum der Galaxie MRG-M0138, mehr als zehn Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

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Die Studie ist im Fachjournal „Science“ publiziert. Beteiligt waren unter anderem Forscher des University College London und von Carnegie Institution for Science in Pasadena (US-Bundesstaat Kalifornien) unter Andrew Newman.

Da Licht Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen Astronomen weit entfernte Objekte jeweils so, wie sie vor Millionen oder Milliarden Jahren waren. Das Licht der Galaxie MRG-M0138 begann seine Reise zu einer Zeit, als das Universum erst 3,8 Milliarden Jahre alt war.

Sterne verraten inaktives Schwarzes Loch

Obwohl rund um das Schwarze Loch heute kaum noch leuchtende Materie sichtbar ist, gelang der Nachweis über die Sterne in seiner Nähe. Mit dem James Webb Space Telescop (JWST) verfolgten die Forscher die stellaren Bewegungen nahe dem Galaxienzentrum, die von seiner gewaltigen Schwerkraft beeinflusst werden.

Inaktive Schwarze Löcher sind wesentlich schwerer aufzuspüren als aktive. Aktive Schwarze Löcher entlassen zwar selbst keine kosmische Strahlung, aber hineinstürzende Materie heizt sich so stark auf, dass sie im Röntgenlicht leuchtet. Im Gegensatz dazu verraten sich inaktive Schwarze Löcher lediglich durch die Schwerkraftwirkung auf ihre Umgebung – insbesondere auf Sterne, die sie umkreisen.

Galaxiehaufen vergrößert MRG-M0138 wie eine Lupe

Aus dieser Wirkung der Gravitation auf Sterne errechneten die Wissenschaftler, dass das Schwarze Loch im Zentrum von MRG-M0138 rund sechs Milliarden Sonnenmassen hat. Bisher hatte man auf diese Art nur inaktive Schwarze Löcher in unserer näheren kosmischen Umgebung gewogen – bis in maximal 700 Millionen Lichtjahre Entfernung. Die jetzige Messung reicht also 15 Mal weiter als der bisherige Rekord.

„Die Bestimmung, wie sich Sterne gemeinsam im Kern dieser fernen Galaxie bewegen, hat es uns ermöglicht, die Masse ihres ansonsten nicht nachweisbaren supermassereichen Schwarzen Lochs zu messen“, erklärt Richard Ellis vom University College London.

Möglich wurde die Messung nur durch eine extrem seltene günstige Konstellation. Zwischen der Erde und MRG-M0138 liegt der gewaltige Galaxienhaufen MACS J0138.0-2155, der die ferne Galaxie um etwa das 30-Fache größer erscheinen lässt.

„Wir konnten dieses Schwarze Loch in zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung aufspüren, indem wir den scharfen Blick von JWST mit einem natürlichen Vergrößerungsglas kombinierten“, erläutert Erstautor Newman.

Zur Info: Gravitationslinsen sind ein Phänomen aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Große Massen krümmen mit ihrer Gravitation den Raum und damit auch den Weg der Lichtstrahlen von jenen Objekten, die sich in der Sichtlinie direkt hinter einer großen Masse-Ansammlung befinden. Auf diese Weise können große Masseansammlungen das Abbild der hinter ihnen befindlichen Objekte nicht nur verzerren, sondern auch wie eine Lupe vergrößern.

Warum dass Schwarze Loch inaktiv ist

Besonders auffällig ist der Zustand des Schwarzen Lochs: Es wirkt momentan ruhig und zieht offenbar kaum Gas aus seiner Umgebung an. Deshalb fehlt das grelle Leuchten, das viele aktive Schwarze Löcher für astronomische Beobachtungen sichtbar macht.

Solche extrem hellen Galaxienkerne heißen Quasare. Dabei handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren weit entfernter Galaxien. Sie senden Strahlung aus, weil ständig Materie von außen in sie hinein fällt und sich dabei aufheizt. Derartige aktiven Galaxienkerne zählen zu den leuchtkräftigsten Objekten im All.

MRG-M0138 wirkt nicht nur im Zentrum ungewöhnlich ruhig. Auch die Galaxie selbst bildet kaum noch neue Sterne. Normalerweise entstehen Sterne aus kaltem Gas. Wenn dieses Gas fehlt, zu heiß wird oder aus der Galaxie entweicht, kommt die Sternentstehung weitgehend zum Erliegen.

Galaxien und Schwarze Löcher

Dieser Zustand macht das ferne System für Astronomen besonders wertvoll. Denn daraus ergeben sich möglich Antworten auf die Frage, wie eng das Wachstum von Galaxien und die Entwicklung ihrer Schwarzen Löcher zusammenhängen. Große Galaxien besitzen meist auch besonders schwere Schwarze Löcher in ihrem Zentrum. Wie früh diese Verbindung entstand, ließ sich bislang nur schwer prüfen.

„Indem wir die Machbarkeit einer solchen Technik für Galaxien im frühen Universum demonstrieren, können wir nun eine vollständigere Bestandsaufnahme davon vornehmen, wie sich Schwarze Löcher im Laufe der Zeit entwickeln, und daraus ihre Rolle bei der Entwicklung von Galaxien ableiten“, konstatiert Richard Ellis.

Seltener Glücksfall für die Astronomie

Schlummernde Schwarze Löcher aus der Frühzeit des Universums sind besonders schwer zu finden. Aktive Exemplare fallen durch ihre helle Umgebung eher auf. Ruhende Objekte bleiben dagegen fast verborgen, obwohl sie gewaltige Massen besitzen können. MRG-M0138 erweitert daher den Blick auf eine Gruppe, die bislang nur in wenigen Fällen bekannt ist.

Weitere Beobachtungen mit James-Webb und anderen Weltraumteleskopen sollen nun ähnliche Objekte aufspüren. Die Forscher interessieren sich vor allem für Galaxien, deren Sternentstehung bereits sehr früh nachgelassen hat. Dort könnten schwere Schwarze Löcher einen Teil der Geschichte erklären.

Ein ruhendes Schwarzes Loch muss allerdings nicht für immer ruhig bleiben. Wenn wieder größere Mengen Materie in seine Nähe geraten, kann es erneut aktiv werden. Dann beginnt Gas in seiner Umgebung zu leuchten. Aus einem kaum sichtbaren Schwerkraftzentrum wird dann wieder ein auffälliger kosmischer Leuchtturm.

Schwarze Löcher

Black HoleEin halbes Jahrhundert ist es her, dass der Begriff Schwarzes Loch für derlei Phänomene allgemein eingeführt wurde. Der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler suchte 1967 bei einer Konferenz ein Ersatzwort für den englischen Zungenbrecher „Gravitationally completely collapsed object“. Kurzerhand nahm er den Vorschlag eines Zuhörers auf, der solche Phänomene kurz „Black Hole“ nannte.

Was ist ein Schwarzes Loch?Schwarze Löcher sind eine der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein vor rund einem Jahrhundert aufgestellt hat. In ihnen ist die Masse von einigen bis mehreren Milliarden Sonnen auf einen Punkt komprimiert. Durch die immense Gravitation kann aus der direkten Umgebung nicht einmal Licht entkommen, daher der Name. Schwarze Löcher können beispielsweise entstehen, wenn ausgebrannte Riesensterne unter ihrem eigenen Gewicht zusammenstürzen.

Wie sieht ein Schwarzes Loch aus?Ein Schwarzes Loch selbst ist auch für die besten Teleskope unsichtbar. Zeichnungen auf Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie zeigen oft einen schwarzen Kreis mit einem strahlend hellen Ring. Die Innenseite dieses Rings markiert den sogenannten Ereignishorizont (auf Englisch „Event horizon“), der dem Projekt seinen Namen gab. Er ist der Ort im Umkreis eines Schwarzen Lochs, von dem aus noch Licht entkommen kann. Man fotografiert also nur den strahlend hellen Ring um das Schwarze Loch.

Wieso leuchten Schwarze Löcher?Viele Schwarze Löcher verleiben sich neue Materie ein. Diese Materie fällt aber nicht auf direktem Weg ins Schwarze Loch. Stattdessen sammelt sie sich auf einer immer schneller rotierenden Scheibe – ähnlich wie Wasser in einem Strudel aus der Badewanne fließt. In dieser sogenannten Akkretionsscheibe wird die Materie durch gegenseitige Reibung Millionen Grad heiß und leuchtet dadurch hell auf, bevor sie im Schlund des Schwerkraftmonsters für immer verschwindet.

Wie groß sind Schwarze Löcher?Schwarze Löcher besitzen zwar unvorstellbar viel Masse, sind dabei aber sehr klein. Ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Erde wäre beispielsweise nur so groß wie eine Kirsche.