Im Standardbild der kosmischen Strukturbildung bauen sich Galaxien durch die schrittweise Verschmelzung von immer größeren Systemen auf (siehe eine Reihe von verschmelzenden Galaxien in Abb. 1). Neben immer größeren Galaxien führt das auch dazu, dass sich Doppelsysteme aus schwarzen Löchern in deren Zentren bilden (siehe Abb.2). Kommen Sterne diesem Doppelsystem nahe, so können sie dem Doppelsystem Energie und Drehimpuls entziehen und auf große Entfernungen hinausgeschleudert werden, wobei gleichzeitig der Bahnabstand der beiden schwarzen Löcher schrumpft. Wird dadurch genug Energie auf die Sternpopulation übertragen, so kommen sich die schwarzen Löcher so nahe, dass sie schließlich miteinander verschmelzen und dabei heftige Gravitationswellen ausstoßen.

Bei den Berechnungen für die Entwicklung derartiger Doppelsysteme aus schwarzen Löchern wird normalerweise ein sphärisch symmetrisches Galaxienmodell zugrunde gelegt. Bei der Verschmelzung von Galaxien entstehen allerdings starke Störungen, die zu signifikanten Abweichungen von der sphärischen Symmetrie und zu Rotation führen.

Wie entwickelt sich nun also ein Doppelsystem aus schwarzen Löchern in realistischen Überresten verschmelzender Galaxien? Zur Beantwortung dieser Frage führten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik in einer internationalen Kollaboration eine Reihe numerischer Simulationen durch, die sowohl die verschmelzenden Galaxien als auch die Doppelsysteme aus schwarzen Löchern in diesen Galaxien umfassten. Dabei wurden die Gravitationskräfte zwischen alle Teilchenpaaren in den Galaxien berechnet und sehr präzise Bahnkurven abgeleitet.

Die Simulation der Verschmelzung zweier Galaxien mit höchst genauen numerischen Methoden ist eine äußerst anspruchsvolle Rechenaufgabe, für die mehr als ein Jahr ununterbrochene Rechenzeit auf den GPU-Computern am Max-Planck-Institut für Astrophysik und auf dem speziellen GRAPE-Cluster des Rochester Instituts für Technology (Rochester, USA) nötig war. Das Ergebnis dieser Rechnungen ist allerdings sehr interessant.

In sphärisch symmetrischen Galaxien ist die Entwicklung des Doppelsystems aus schwarzen Löchern dadurch gekennzeichnet, dass der Bahnabstand in einer ersten Phase schrumpft und dann nur noch sehr langsam abnimmt. Demgegenüber setzt sich die Entwicklung bei realistisch verschmelzenden Galaxien bis hin zu kleinen Abständen fort — bis die Abstände klein genug werden, so dass die Abstrahlung von Gravitationswellen schließlich dominiert und die beiden schwarzen Löcher zu einem einzigen schwarzen Loch verschmelzen.

Die Simulationen von Doppelsystemen aus schwarzen Löchern in rotierenden Systemen zeigen auch, dass sich die Exzentrizität des Doppelsystems ändert, wobei die Art der Änderung (zu einem mehr oder weniger exzentrischen Orbit) davon abhängt, inwieweit die Sterne in die gleiche Richtung oder entgegengesetzt rotieren. Bei gleichgerichteter Rotation wird die Umlaufbahn immer kreisförmiger, wenn der Bahnabstand der beiden schwarzen Löcher aufgrund von nahe vorbeiziehenden Sternen schrumpft. Wenn allerdings die meisten Sterne entgegengesetzt rotieren, so wird das Doppelsystem immer exzentrischer. Dieser Effekt, der bei der Verschmelzung von Galaxien mit unterschiedlicher Masse entstehen könnte, hat wichtige Auswirkungen auf den möglichen Nachweis von Gravitationswellen, die durch verschmelzende schwarze Löcher emittiert werden.

Außerdem stellte sich heraus, dass sich die Bahnebene des Doppelsystems neu ausrichtet, wenn der Drehimpuls der Systems aus schwarzen Löchern anfangs nicht an dem des Sternensystems ausgerichtet ist. Bei sphärisch symmetrischen Modellen ändert sich die Orientierung der Bahnebene nur wenig — auf langen Zeitskalen ergeben sich kleine Änderungen dadurch, dass bei der Interaktion mit Sternen zufällig Drehimpuls mit dem Doppelsystem ausgetauscht wird. Wenn das Doppelsystem allerdings in ein Sternsystem mit einer Netto-Rotation eingebettet ist, bei dem die Richtung der jeweiligen Drehimpulse nicht übereinstimmen, so passen die schwarzen Löcher ihre Bahnebene an diejenige der Sterne an. Diese Umorientierung geschieht auf einer ähnlichen Zeitskala wie das Schrumpfen des Bahnabstands und kann recht groß sein, mit Winkeländerungen bis zu 100 Grad.

Diese Änderung der Bahnebene, die man in den Simulationen beobachtet, könnte auch wichtige Konsequenzen für astrophysikalische Beobachtungen haben. Die Richtung der Drehachse des schwarzen Lochs, das aus der Verschmelzung entsteht, wird durch die Ausrichtung der Bahnebene des Doppelsystems beeinflusst. Diese Drehachse bestimmt wiederum die Ausrichtung der Akkretionsscheibe um das schwarze Loch und - in Radiogalaxien - die Richtung des Materiestrahls (engl. “radio jet”).

Alessia Gualandris

Veröffentlichungen:

Alessia Gualandris & David Merritt, "Long-term evolution of massive black hole binaries. IV. Mergers of galaxies with collisionally relaxed nuclei", 2011, ApJ, in press, http://arxiv.org/abs/1107.4095

Alberto Sesana, Alessia Gualandris, Massimo Dotti, "Massive black hole binary eccentricity in rotating stellar systems", 2011, MNRAS, 415L, 35 http://arxiv.org/abs/1105.0670

Alessia Gualandris, Massimo Dotti, Alberto Sesana, "Massive black hole binary plane reorientation in rotating stellar systems", 2011, MNRAS, http://arxiv.org/abs/1109.3707