Mithilfe eines neuen Computermodells haben Astronomen festgestellt, dass das Schwarze Loch im Zentrum der M87-Galaxie mindestens doppelt so groß ist wie bisher angenommen. Mit einem Gewicht von 6,4 Milliarden Mal der Sonnenmasse ist es das massereichste Schwarze Loch, das bisher gemessen wurde, und dieses neue Modell legt nahe, dass die akzeptierten Schwarzlochmassen in anderen großen nahe gelegenen Galaxien um ähnliche Beträge abweichen könnten. Dies hat Konsequenzen für Theorien darüber, wie sich Galaxien bilden und wachsen, und könnte sogar ein langjähriges astronomisches Paradoxon lösen.
Die Astronomen Karl Gebhardt von der University of Texas in Austin und Jens Thomas vom Max-Planck-Institut für außerirdische Physik erläuterten ihre Ergebnisse am Montag auf der Konferenz der American Astronomical Society in Pasadena, Kalifornien.
Um zu verstehen, wie sich Galaxien bilden und wachsen, beginnen Astronomen mit grundlegenden Informationen über die heutigen Galaxien, z. B. woraus sie bestehen, wie groß sie sind und wie viel sie wiegen. Astronomen messen diese letzte Kategorie, die Galaxienmasse, indem sie die Geschwindigkeit der Sterne messen, die in der Galaxie umkreisen.
Studien der Gesamtmasse sind wichtig, sagte Thomas, aber „der entscheidende Punkt ist zu bestimmen, ob sich die Masse im Schwarzen Loch, in den Sternen oder im dunklen Heiligenschein befindet. Sie müssen ein ausgeklügeltes Modell ausführen, um herauszufinden, welches welches ist. Je mehr Komponenten Sie haben, desto komplizierter ist das Modell. “
Für das Modell M87 verwendeten Gebhardt und Thomas einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, das Lonestar-System an der University of Texas im Texas Advanced Computing Center in Austin. Lonestar ist ein Dell Linux-Cluster mit 5.840 Prozessorkernen und kann 62 Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde ausführen. (Der heutige Top-Laptop verfügt über zwei Kerne und kann bis zu 10 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde ausführen.)
Gebhardt und Jens 'Modell von M87 war komplizierter als frühere Modelle der Galaxie, da es neben der Modellierung seiner Sterne und seines Schwarzen Lochs auch den „dunklen Lichthof“ der Galaxie berücksichtigt, eine sphärische Region, die eine Galaxie umgibt, die sich über ihre Hauptgalaxie hinaus erstreckt sichtbare Struktur, die die mysteriöse „dunkle Materie“ der Galaxie enthält.
"In der Vergangenheit haben wir den dunklen Heiligenschein immer als bedeutend angesehen, aber wir hatten auch nicht die Computerressourcen, um ihn zu untersuchen", sagte Gebhardt. „Bisher konnten wir nur Sterne und Schwarze Löcher verwenden. Werfen Sie den dunklen Heiligenschein hinein, es wird zu rechenintensiv, Sie müssen zu Supercomputern gehen. “
Das Lonestar-Ergebnis war eine Masse für das Schwarze Loch des M87, die mehrmals so hoch war wie die der Vorgängermodelle. "Wir haben es überhaupt nicht erwartet", sagte Gebhardt. Er und Jens wollten ihr Modell einfach an der „wichtigsten Galaxie da draußen“ testen, sagte er.
M87 war eine der ersten Galaxien, die vor fast drei Jahrzehnten ein zentrales Schwarzes Loch beherbergen sollten. Es hat auch einen aktiven Jet, der Licht aus dem Kern der Galaxie schießt, wenn die Materie näher an das Schwarze Loch heranwirbelt, sodass Astronomen den Prozess untersuchen können, durch den Schwarze Löcher Materie anziehen. All diese Faktoren machen M87 zum „Anker für supermassive Schwarzlochstudien“, sagte Gebhardt.
Diese neuen Ergebnisse für M87 führen zusammen mit Hinweisen aus anderen neueren Studien und seinen eigenen jüngsten Teleskopbeobachtungen (Veröffentlichungen in Vorbereitung) zu dem Verdacht, dass alle Schwarzlochmassen für die massereichsten Galaxien unterschätzt werden.
Diese Schlussfolgerung "ist wichtig für die Beziehung von Schwarzen Löchern zu Galaxien", sagte Thomas. "Wenn Sie die Masse des Schwarzen Lochs ändern, ändern Sie auch die Beziehung des Schwarzen Lochs zur Galaxie." Zwischen der Galaxie und ihrem Schwarzen Loch besteht eine enge Beziehung, die es Forschern ermöglicht hatte, die Physik des Wachstums von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit zu untersuchen. Durch Erhöhen der Schwarzlochmassen in den massereichsten Galaxien wird diese Beziehung neu bewertet.
Höhere Massen für Schwarze Löcher in nahe gelegenen Galaxien könnten auch ein Paradoxon in Bezug auf die Massen von Quasaren lösen - aktive Schwarze Löcher in den Zentren extrem entfernter Galaxien, die in einer viel früheren kosmischen Epoche gesehen wurden. Quasare leuchten hell, während sich das Material spiralförmig dreht und reichlich Strahlung abgibt, bevor sie den Ereignishorizont überqueren (die Region, hinter der nichts - nicht einmal Licht - entweichen kann).
"Es besteht seit langem das Problem, dass die Massen der Quasar-Schwarzen Löcher sehr groß waren - 10 Milliarden Sonnenmassen", sagte Gebhardt. „Aber in lokalen Galaxien haben wir nie so massive Schwarze Löcher gesehen, nicht annähernd. Der Verdacht war vorher, dass die Quasarmassen falsch waren “, sagte er. Aber "wenn wir die Masse von M87 zwei- oder dreimal erhöhen, verschwindet das Problem fast."
Die heutigen Schlussfolgerungen basieren auf Modellen, aber Gebhardt hat auch neue Teleskopbeobachtungen von M87 und anderen Galaxien mit neuen leistungsstarken Instrumenten am Gemini-Nordteleskop und am Very Large Telescope des European Southern Observatory durchgeführt. Er sagte, dass diese Daten, die in Kürze zur Veröffentlichung eingereicht werden, die aktuellen modellbasierten Schlussfolgerungen über die Masse der Schwarzen Löcher stützen.
Für zukünftige Teleskopbeobachtungen von galaktischen dunklen Lichthöfen stellt Gebhardt fest, dass ein relativ neues Instrument an der University of Texas am McDonald Observatory in Austin perfekt ist. "Wenn Sie den Heiligenschein studieren müssen, um die Masse des Schwarzen Lochs zu erhalten, gibt es kein besseres Instrument als VIRUS-P", sagte er. Das Instrument ist ein Spektrograph. Es trennt das Licht von astronomischen Objekten in seine Wellenlängenkomponenten und erstellt eine Signatur, die gelesen werden kann, um die Entfernung, Geschwindigkeit, Bewegung, Temperatur und mehr eines Objekts herauszufinden.
VIRUS-P eignet sich gut für Halo-Studien, da es Spektren über einen sehr großen Bereich des Himmels aufnehmen kann, sodass Astronomen die sehr niedrigen Lichtverhältnisse in großen Entfernungen vom Galaxienzentrum erreichen können, in dem der dunkle Halo dominiert. Es handelt sich um einen Prototyp, der zum Testen der Technologie des größeren VIRUS-Spektrographen für das bevorstehende Hobby-Eberly-Teleskop-Dunkle-Energie-Experiment (HETDEX) entwickelt wurde.
Quellen: AAS, McDonald Observatory
