Wenn massereiche Sterne sterben, sind ihre stellaren Überreste oft Schwarze Löcher mit einer Größe zwischen fünf und 100 Sonnenmassen. Solche Schwarzen Löcher können nicht direkt beobachtet werden. Viele sind aufgrund des Lichts bekannt, das sie ausstrahlen, weil sie sich von ihren Begleitsternen ernähren. Die Zentren massereicher Galaxien beherbergen supermassive Schwarze Löcher, die mehr als 100.000 Sonnenmassen wiegen. Unsere Milchstraße beispielsweise besitzt ein Schwarzes Loch mit etwa 4 Millionen Sonnenmassen, während die riesige elliptische Galaxie M87 eines mit einigen Milliarden Sonnenmassen hat.
Existenz nicht eindeutig bestätigt
Aber was ist mit den Schwarzen Löchern „dazwischen”? Existieren solche „Schwarzen Löcher mittlerer Masse” überhaupt? Diese wären etwa 1.000 bis 100.000 Sonnenmassen schwer. Computersimulationen von Kugelsternhaufen haben gezeigt, dass stellare Schwarze Löcher über Milliarden von Jahren durch Verschmelzungen mit anderen stellaren Schwarzen Löchern und dem Verschlucken von Sternmaterie möglicherweise auf solche Massen anwachsen könnten. Es gibt jedoch keine Beobachtungen, die ihre Existenz eindeutig bestätigen - und die Berechnungen sind sehr ungenau.
Hauptautor Dr. Jaroslav Haas vom Astronomischen Institut der Karl-Universität hat gezeigt, wie sich Schwarze Löcher mittlerer Masse wahrscheinlich schnell und häufig in den innersten Regionen von Galaxien wie unserer Milchstraße bilden. Der Wissenschaftler wandte Berechnungen an, die ein Team von Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Karls-Universität und vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn vor einigen Jahren zur Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher in der Nähe der Zentren massereicher Galaxien veröffentlicht hatte.
„Im innersten Bereich der Milchstraße entstehen ständig Sterne - viele davon in dichten, massereichen Sternhaufen“, sagt Jaroslav Haas. Wenn diese massereichen Sterne sterben, hinterlassen sie demzufolge viele stellare Schwarze Löcher, die sich in der Nähe der zentralen Regionen der Haufen ansammeln und weiterhin um das Zentrum der Milchstraße kreisen. Dabei stoßen diese Haufen oft auf dichte Gaswolken. „Wenn diese in den Haufen fallen, schrumpft der zentrale Unterhaufen der stellaren Schwarzen Löcher, da die Schwarzen Löcher durch das Gas abgebremst werden“, sagt Haas.
Unter bestimmten Bedingungen kann der Unterhaufen so kompakt werden, dass darin einzelne Schwarze Löcher Gravitationswellen ausstrahlen, während sie sich innerhalb des Unterhaufens Schwarzer Löcher bewegen. Dann kann der Unterhaufen der stellaren Schwarzen Löcher durch die Ausstrahlung von Gravitationswellen katastrophal kollabieren. Die Masse eines solchen kollabierten Haufens von Schwarzen Löchern liegt im Bereich von 1.000 bis 100.000 Sonnenmassen.
„Bislang hatte ich große Zweifel daran, dass Schwarze Löcher mittlerer Masse existieren können, da unsere bisherigen Berechnungen ihre Entstehung im Zentrum von Galaxien ausschlossen“, sagt Mitautor Prof. Pavel Kroupa von der Karls-Universität und der Universität Bonn. „Daher fand ich diese neuartige Anwendung der Theorie, wie sich supermassive Schwarze Löcher im frühen Universum schnell bilden, bemerkenswert.“ Es erscheine sehr natürlich, dass viele Schwarze Löcher mittlerer Masse im innersten Bereich der Milchstraße und ähnlicher Galaxien umlaufen sollten. „Elliptische Galaxien können diese derzeit nicht entwickeln, da sie keine Haufen mit massereichen Sternen mehr bilden“, sagt der Wissenschaftler, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ an der Universität Bonn ist.
Modell zur Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher als Grundlage
Sergij Mazurenko, Physikstudent an der Universität Bonn und dritter Autor dieser Arbeit, arbeitete gerade an dem von Pavel Kroupa und seinen Mitarbeitern formulierten Modell zur Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher, als Kroupa ihn fragte, ob er das Modell schnell auf die Ideen von Jaroslav Haas anwenden könnte. „Meine Berechnungen bestätigten Jaroslavs erste Schätzungen“, sagt Mazurenko.
Wenn diese Theorie richtig ist, dann würde die Milchstraße derzeit Dutzende von Schwarzen Löchern mittlerer Masse in einem Umkreis von etwa 600 Lichtjahren um ihr zentrales supermassives Schwarzes Loch beherbergen. Interessanterweise wurden durch Beobachtungen der Bewegungen von Sternen und Gas um sie herum etwa fünf Kandidaten gemeldet. Nach Einschätzung der Forscher bringt diese Studie ein völlig neues Verständnis der dramatischen und gewaltigen innersten Regionen von Galaxien, die unserer Milchstraße ähneln.
Realistischere Simulationen erforderlich
„Wir erwarten, dass nun neue Beobachtungsansätze verfolgt werden, um die derzeit bekannten Kandidaten für mittelschwere Schwarze Löcher zu überprüfen“, sagt Jaroslav Haas. Um diese Ideen zu verfeinern, werden neue, realistischere Simulationen der Entwicklung massereicher Sternhaufen erforderlich sein, die um das Zentrum unserer Milchstraße kreisen, einschließlich ihrer dichten Gasumgebung. Pavel Kroupa fügt hinzu: „Dies eröffnet Studierenden und jungen Forschenden neue spannende Beobachtungs- und Berechnungsprojekte.“