Erste Entdeckung eines sekundären supermassiven Schwarzen Lochs in einem Bohrloch

In den Zentren aktiver Galaxien gibt es supermassive Schwarze Löcher, die mehrere Milliarden Mal so viel wiegen wie die Masse unserer Sonne.

Astronomen beobachten sie als helle galaktische Kerne, in denen das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie Materie aus einem heftigen Strudel namens Akkretionsscheibe verschlingt. Ein Teil der Materie wird in einem kräftigen Strahl herausgedrückt. Dieser Prozess lässt den galaktischen Kern im gesamten elektromagnetischen Spektrum hell leuchten.

In einer aktuellen Studie fanden Astronomen Hinweise darauf, dass zwei supermassive Schwarze Löcher einander umkreisen, und zwar durch Signale, die von den Jets stammen, die mit der Ansammlung von Materie in beiden Schwarzen Löchern verbunden sind. Die Galaxie oder ein Quasar, wie sie technisch genannt wird, trägt den Namen OJ287 und ist am gründlichsten erforscht und wird am besten als binäres Schwarzes-Loch-System verstanden. Am Himmel liegen die Schwarzen Löcher so nah beieinander, dass sie zu einem Punkt verschmelzen. Dass der Punkt tatsächlich aus zwei Schwarzen Löchern besteht, wird deutlich, indem festgestellt wird, dass er zwei verschiedene Arten von Signalen aussendet.

Die aktive Galaxie OJ 287 liegt in Richtung des Sternbildes Krebs in einer Entfernung von etwa 5 Milliarden Lichtjahren und wird seit 1888 von Astronomen beobachtet. Das bemerkten bereits vor mehr als 40 Jahren der Astronom der Universität Turku Aimo Sillanpää und seine Mitarbeiter Es gibt ein markantes Muster in seiner Emission, das zwei Zyklen aufweist, einen von etwa 12 Jahren und den längeren von etwa 55 Jahren. Sie vermuteten, dass die beiden Zyklen aus der Umlaufbewegung zweier Schwarzer Löcher umeinander resultieren. Der kürzere Zyklus ist der Umlaufzyklus und der längere resultiert aus einer langsamen Entwicklung der Ausrichtung der Umlaufbahn.

Die Umlaufbewegung wird durch eine Reihe von Fackeln sichtbar, die entstehen, wenn das sekundäre Schwarze Loch regelmäßig mit Geschwindigkeiten, die einen Bruchteil langsamer als die Lichtgeschwindigkeit sind, durch die Akkretionsscheibe des primären Schwarzen Lochs stürzt. Dieses Eintauchen des sekundären Schwarzen Lochs erhitzt das Scheibenmaterial und das heiße Gas wird in Form expandierender Blasen freigesetzt. Es dauert Monate, bis diese heißen Blasen abkühlen, während sie strahlen und einen Lichtblitz – einen Flare – verursachen, der etwa zwei Wochen anhält und heller ist als eine Billion Sterne.

Nach jahrzehntelangen Bemühungen, den Zeitpunkt des Sturzes des sekundären Schwarzen Lochs durch die Akkretionsscheibe abzuschätzen, haben Astronomen der Universität Turku in Finnland unter der Leitung von Mauri Valtonen und seinem Mitarbeiter Achamveedu Gopakumar vom Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indien, und anderen konnten die Umlaufbahn modellieren und genau vorhersagen, wann diese Flares auftreten würden.

Erfolgreiche Beobachtungskampagnen in den Jahren 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 und 2019 ermöglichten es dem Team, die vorhergesagten Flares zu beobachten und das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen-Loch-Paares in OJ 287 zu bestätigen.

„Die Gesamtzahl der vorhergesagten Ausbrüche beläuft sich mittlerweile auf 26, und fast alle davon wurden beobachtet. Das größere Schwarze Loch in diesem Paar wiegt mehr als 18 Milliarden Mal so viel wie die Masse unserer Sonne, während der Begleiter ungefähr 100 Mal leichter ist und eine umlaufende Umlaufbahn hat.“ länglich, nicht kreisförmig“, sagt Professor Achamveedu Gopakumar.

Trotz dieser Bemühungen war es den Astronomen nicht gelungen, ein direktes Signal des kleineren Schwarzen Lochs zu beobachten. Vor 2021 konnte auf seine Existenz nur indirekt aus den Flares und der Art und Weise geschlossen werden, wie es den Jet des größeren Schwarzen Lochs zum Wackeln bringt.

„Die beiden Schwarzen Löcher sind am Himmel so nah beieinander, dass man sie nicht getrennt sehen kann, sie verschmelzen in unseren Teleskopen zu einem einzigen Punkt. Nur wenn wir deutlich getrennte Signale von jedem Schwarzen Loch sehen, können wir sagen, dass wir tatsächlich haben.“ „Sie haben beide gesehen“, sagt der Hauptautor, Professor Mauri Valtonen.

Kleineres Schwarzes Loch erstmals direkt beobachtet

Spannend ist, dass die Beobachtungskampagnen zu OJ 287 in den Jahren 2021/2022 mit einer großen Anzahl von Teleskopen unterschiedlicher Art den Forschern erstmals Beobachtungen des sekundären Schwarzen Lochs, das durch die Akkretionsscheibe stürzt, und der Signale, die vom kleineren Schwarzen Loch ausgehen, ermöglichten selbst.

„Der Zeitraum 2021/2022 hatte für die Erforschung von OJ287 eine besondere Bedeutung. Zuvor war vorhergesagt worden, dass das sekundäre Schwarze Loch in diesem Zeitraum durch die Akkretionsscheibe seines massereicheren Begleiters stürzen wird. Es wurde erwartet, dass dieser Sturz ein … „Es gab einen sehr blauen Blitz direkt nach dem Einschlag, und er wurde tatsächlich innerhalb weniger Tage nach dem vorhergesagten Zeitpunkt von Martin Jelinek und Mitarbeitern der Tschechischen Technischen Universität und des Astronomischen Instituts der Tschechischen Republik beobachtet“, sagt Professor Mauri Valtonen.

Allerdings gab es zwei große Überraschungen – neue Arten von Fackeln, die zuvor noch nicht entdeckt wurden. Der erste von ihnen wurde nur durch eine detaillierte Beobachtungskampagne von Staszek Zola von der Jagiellonen-Universität Krakau, Polen, gesehen, und das aus gutem Grund. Zola und sein Team beobachteten einen großen Flare, der 100-mal mehr Licht erzeugte als eine ganze Galaxie, und er dauerte nur einen Tag.

„Den Schätzungen zufolge ereignete sich der Ausbruch kurz nachdem das kleinere Schwarze Loch während seines Absturzes eine massive Dosis neuen Gases zum Verschlucken erhalten hatte. Es ist der Verschluckungsprozess, der zur plötzlichen Aufhellung von OJ287 führt. Man geht davon aus, dass dieser Prozess dazu geführt hat.“ hat den Jet aktiviert, der aus dem kleineren Schwarzen Loch von OJ 287 herausschießt. Ein Ereignis wie dieses wurde bereits vor zehn Jahren vorhergesagt, konnte aber bisher nicht bestätigt werden“, erklärt Valtonen.

Das zweite unerwartete Signal kam von Gammastrahlen und wurde vom Fermi-Teleskop der NASA beobachtet. Der größte Gammastrahlenausbruch in OJ287 seit sechs Jahren ereignete sich genau zu dem Zeitpunkt, als das kleinere Schwarze Loch durch die Gasscheibe des primären Schwarzen Lochs stürzte. Der Jet des kleineren Schwarzen Lochs interagiert mit dem Scheibengas und diese Wechselwirkung führt zur Erzeugung von Gammastrahlen. Um diese Idee zu bestätigen, bestätigten die Forscher, dass ein ähnlicher Gammastrahlenausbruch bereits 2013 stattgefunden hatte, als das kleine Schwarze Loch aus derselben Blickrichtung gesehen das letzte Mal durch die Gasscheibe fiel.

„Und was ist mit dem eintägigen Ausbruch, warum haben wir ihn nicht schon früher gesehen? OJ287 ist seit 1888 auf Fotos festgehalten und wird seit 1970 intensiv verfolgt. Es stellt sich heraus, dass wir einfach nur Pech hatten. Niemand hat OJ287 genau beobachtet.“ in den Nächten, in denen es seinen One-Night-Stunt machte. Und ohne die intensive Überwachung durch Zolas Gruppe hätten wir es auch dieses Mal verpasst“, erklärt Valtonen.

Diese Bemühungen machen OJ 287 zum besten Kandidaten für ein supermassereiches Schwarzes-Loch-Paar, das Gravitationswellen im Nanohertz-Frequenzbereich aussendet. Darüber hinaus wird OJ 287 routinemäßig sowohl vom Event Horizon Telescope (EHT) als auch vom Global mm-VLBI Array (GMVA)-Konsortium überwacht, um nach zusätzlichen Beweisen für das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen-Loch-Paares in seinem Zentrum zu suchen und insbesondere um Versuchen Sie, das Radiobild des Sekundärjets zu erhalten.

Zu den Instrumenten, die Teil der Kampagne 2021-2022 waren, gehören das Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA und das Swift-Ultraviolett-Röntgen-Teleskop sowie Beobachtungen optischer Wellenlängen durch Astronomen in der Tschechischen Republik, Finnland, Deutschland, Spanien, Italien, Japan, Indien, China, Großbritannien und USA sowie Hochfrequenzbeobachtungen von OJ287 an der Aalto-Universität, Helsinki, Finnland.

Verfeinerung der Epoche des Eintreffens der Impaktfackel OJ 287 2022, monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society

SpaceRef-Mitbegründer, Explorers Club Fellow, Ex-NASA, Auswärtsteams, Journalist, Weltraum- und Astrobiologie, ehemaliger Bergsteiger.