Supermassive Schwarze Löcher können auf unterschiedliche Arten wachsen

Durch detaillierte Strukturanalyse von Galaxien im "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS) haben Wissenschaftler am Max-Planck Institut für Astrophysik neue Erkenntnisse über das Wachstum von Schwarzen Löchern sammeln können. Ihre wichtigste Entdeckung besteht darin, dass das Wachstum von Schwarzen Löchern in den Zentren von massiven Galaxien eng mit dem Wachstum der Galaxie selber verbunden ist. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Fortschritt in unserem Verständnis der gemeinsamen Entstehung von Schwarzen Löchern und der sie beherbergenden Galaxien.

Abb. 1: Im letzten Jahrzehnt haben Astronomen überzeugende Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern mit Massen von Milliarden von Sonnen gefunden. Diese Schwarzen Löcher befinden sich in den Zentren von massiven Galaxien. Die hier beschriebene Studie zeigt auf, dass Schwarzen Löcher vermutlich auf unterschiedliche Weise wachsen, je nach den strukturellen Eigenschaften ihrer Galaxie. Credits: ESA / V. Beckmann (NASA-GSFC)

Abb. 2: Links: Sternenmasse von elliptischen Galaxien und von Bulges als Funktion ihrer zentralen Geschwindigkeitsdispersion, wie angegeben. Rechts: Masse des Schwarzen Loches als Funktion ihrer zentralen Geschwindigkeitsdispersion. Die Massen der Schwarzen Löcher wurden aus der Beziehung zwischen Sternenmasse und Masse der Schwarzen Löchern abgeleitet. Es ist klar, dass diese Beziehung in elliptischen Galaxien und in Bulges nicht dieselbe ist (mit einer statistischen Signifikanz von 99 Prozent). Da direkte Messungen der Massen von Schwarzen Löchern zeigen, dass diese sowohl mit der Sternenmasse als auch mit der Geschwindigkeitsdispersion korrelieren, ist klar, dass die Schwarzen Löcher in elliptische Galaxien und Bulges nicht denselben fundamentalen Gesetzmässigkeiten unterworfen sind. Dies weist darauf hin, dass das Wachstum eines Schwarzen Loches je nach Art der beherbergenden Galaxie auf verschiedene Weise abläuft. Dieses Diagramm zeigt auch, dass eine Galaxie mit einem "Pseudo-Bulge" mit einer grösseren Wahrscheinlichkeit nicht der üblichen Beziehung folgt, falls sie eine balkenförmige Struktur enthält.

Abb. 3: Man kann die Verteilung der Massen Schwarzer Löcher entweder mit der Beziehung zwischen Masse des Schwarzen Lochs und Sternenmasse, oder mit der Beziehung zwischen Masse des Schwarzen Lochs und der Geschwindigkeitsdispersion abschätzen. Überraschenderweise kommen dabei nicht die gleichen Resultate heraus. Der Grund dafür ist zumindest teilweise, dass die Beziehung zwischen Sternenmasse und Geschwindigkeitsdispersion in elliptischen Galaxien und in den Bulges nicht dieselbe ist, wie in der hier beschriebenen Studie erstmals festgestellt wurde. Die Erklärung dieses rätselhaften Unterschieds wird vermutlich neue Einzelheiten über die gemeinsame Entstehung von Galaxien und ihrer zentralen Schwarzen Löcher verraten.

Es gilt heute als so gut wie sicher, dass die Zentren von massiven Galaxien Schwarze Löcher mit Massen von hunderten bis tausenden Milliarden Sonnenmassen beherbergen. Astronomen haben herausgefunden, dass die Masse von solchen supermassiven Schwarzen Löchern eng mit der Geschwindigkeitsdispersion (d.h. der Breite der Geschwindigkeitsverteilung) von Sternen in der Nähe des Galaxienzentrums verbunden ist. Zusätzlich sind die Massen der Schwarzen Löcher auch mit der totalen Sternenmasse ihrer Galaxie korreliert, falls diese eine elliptische Galaxie ist; wenn das Schwarze Loch in einer Scheibengalaxie zuhause ist, korreliert seine Masse mit der Masse des "Bulges", d.h. des dichten, kugelförmigen Zentralbereiches, welchen viele Scheibengalaxien aufweisen. Auf Basis dieser Beobachtungen haben Wissenschaftler ein theoretisches Modell entwickelt, in dem die Entstehung des Schwarzen Loches und die Entstehung einer elliptischen Galaxie, oder des Bulges, eng miteinander verbunden sind. Das schnelle Einströmen baryonischen Materials in ein Halo aus dunkler Materie kann im Prinzip die Entstehung sowohl von stellaren Strukturen wie elliptischen Galaxien oder Bulges, als auch von supermassiven Schwarzen Löchern erklären. In ihrer Frühgeschichte können solche Schwarze Löcher vermutliche enorme Mengen an Energie freisetzen, welche in einem selbstregulierenden Prozess die Entstehung neuer Sterne in ihren Galaxien bremsen. Neuste Erkenntnisse deuten aber darauf hin, dass elliptische Galaxien und Bulges auf verschiedene Arten entstehen und wachsen. Auch gibt es zwei unterschiedliche Arten von Bulges, "klassische Bulges" und "Pseudo-Bulges", die vermutlich auf sehr unterschiedliche Weise geformt werden. Dies wirft die Frage auf, ob sich diese Unterschiede auch auf die Entwicklung der jeweiligen Schwarzen Löchern auswirken.

Die hier beschriebene Studie versucht, diese offene Frage zu klären. Dafür werden Resultate einer detaillierten Untersuchung der strukturellen Eigenschaften lokaler, massiver Galaxien benutzt (linkPfeil.gifsiehe Aktuelle Forschung Juli 2009). In dieser Untersuchung wurde die Sternenmasse von elliptischen Galaxien und von Bulges gemessen. Mit einem objektiven Kriterium wurde zwischen "klassischen Bulges" und "Pseudo-Bulges" unterschieden. Die Messungen der Geschwindigkeitsdispersionen der Sterne stammen vom "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS). Mithilfe dieser Datensätze fanden die Wissenschaftler, dass die Beziehung zwischen Sternenmasse und Geschwindigkeitsdispersion in elliptischen Galaxien und in Bulges nicht dieselbe ist. Dies bedeutet, dass die beiden fundamentalen Beziehungen zwischen der Masse des Schwarzen Loches und den physikalischen Eigenschaften der Galaxie (Sternenmasse und Geschwindigkeitsdispersion) in elliptischen Galaxien und in Bulges nicht übereinstimmen. Dies wiederum weist darauf hin, dass Schwarze Löcher in diesen zwei verschiedenen stellaren Systemen auf verschiedene Weise wachsen. Die neue Studie zeigt auch auf, dass Scheibengalaxien mit "Pseudo-Bulges" nicht denselben fundamentalen Gesetzen folgen wie Galaxien mit "klassischen Bulges". Der Grund dafür scheint zu sein, dass Galaxien mit "Pseudo-Bulges" häufig balkenförmige Strukturen enthalten, welche die Geschwindigkeitsdispersion höher erscheinen lassen, als sie eigentlich ist.

Die Wissenschaftler des MPA haben dank dem grossen Datensatz auch eine detaillierte Statistik über Schwarze Löcher im lokalen Universum erstellen können. Sie haben herausgefunden, dass 55 Prozent der Masse in Schwarzen Löchern in den Zentren von elliptischen Galaxien verteilt ist, 41 Prozent in "klassischen Bulges" und nur 5 Prozent in "Pseudo-Bulges". Diese Resultate hängen allerdings empfindlich davon ab, ob die Masse des Schwarzen Lochs mit der Geschwindigkeitsdispersion oder mit der Sternenmasse abgeschätzt wird.

Die nächste Generation von sehr grossen, erdbasierten Teleskopen mit adaptiver Optik wird die Bewegung von Sternen und Gas in den Zentralbereichen von Galaxien auflösen können, und ermöglicht damit präzise Massebestimmungen von Schwarzen Löchern in Tausenden von nahen Galaxien. Bis heute gibt es nur einige Dutzend solcher Messungen. Diese neue Entwicklung bedeutet darum eine Revolution des Forschungsgebietes — die Massen von Schwarzen Löchern werden dann nicht mehr nur indirekt abschätzbar sein. Die so erhaltenen neuen Daten werden unser Verständnis von Schwarzen Löchern und den sie beherbergenden Galaxien vertiefen.


Dimitri Gadotti und Guinevere Kauffmann


Veröffentlichungen:

Dimitri Alexei Gadotti and Guinevere Kauffmann, "The growth of supermassive black holes in pseudo-bulges, classical bulges and elliptical galaxies", 2009, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in press
linkPfeilExtern.gif2009MNRAS.tmp.1121G