Einsteinring zeigt Doppel-System: Schwarze Löcher vor der Kollision
Einsteinring und Doppel-Jet: In Markarian 501 stehen zwei Schwarze Löcher kurz vor der Verschmelzung. Neue Daten zeigen ein seltenes System.
Die künstlerische Darstellung zeigt das Zentrum der Galaxie Markarian 501, aus dem zwei mächtige Jets ausströmen. Das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum, dessen Existenz bereits bekannt war, verzerrt das Licht des dahinter liegenden Jets.
Foto: Emma Kun / HUN-REN Konkoly Observatory / Mit KI-Unterstützung erstellt
Ein kurzer Moment im Juni 2022 liefert den entscheidenden Hinweis: Im Zentrum der Galaxie Markarian 501 erscheint plötzlich ein ringförmiges Signal – ein sogenannter Einsteinring. Für Forschende ist klar: Das passiert nicht zufällig.
Die wahrscheinlichste Erklärung für dieses Phänomen: Zwei extrem massereiche Schwarze Löcher stehen exakt in einer Linie zur Erde. Das vordere Objekt wirkt dabei als Gravitationslinse, während das dahinterliegende das verzerrte Signal liefert. Zusammen bilden sie ein System, das sich in einem extrem engen Orbit befindet – und offenbar auf eine gigantische Verschmelzung zusteuert. Nach genau solchen Systemen haben Fachleute lange gesucht.
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Zwei Jets, die nicht zusammenpassen
Der Ausgangspunkt der Analyse wirkt zunächst beinahe routiniert. Seit Jahren beobachten Astronominnen und Astronomen den aktiven Galaxienkern von Markarian 501. Bekannt ist dort ein heller Jet – ein Strahl aus Teilchen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum geschleudert werden.
Die eigentliche Überraschung kam erst bei der Auswertung von Langzeitdaten. Über einen Zeitraum von rund 23 Jahren sammelte ein internationales Team Radiobeobachtungen bei verschiedenen Frequenzen. In diesen Daten taucht plötzlich ein zweiter Jet auf. Er ist die erste direkte Abbildung eines solchen Systems im Zentrum einer Galaxie.
Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) beschreibt den Fund so: „Wir haben so lange danach gesucht und dann kam es völlig überraschend, dass man einen zweiten Jet nicht nur sehen, sondern ihn sogar in der Bewegung verfolgen kann.“
Die Analyse der Daten zeigt:
- Ein Jet zeigt direkt zur Erde und wirkt dadurch besonders hell.
- Der zweite Strahl ist anders orientiert und war deshalb schwerer nachzuweisen.
- Seine Position verändert sich innerhalb weniger Wochen messbar.
Das gesamte Jet-System bleibt nicht stabil. Es verschiebt sich und kippt leicht. Für das Forschungsteam ist das ein klares Indiz für zwei Schwarze Löcher, deren Bahnebenen schwanken.
Ein Orbit an der Belastungsgrenze
Aus der Dynamik der Teilchenstrahlen lässt sich viel über das Innenleben von Markarian 501 ableiten. Die beiden Schwarzen Löcher benötigen für einen Umlauf offenbar nur 121 Tage. Das ist ein beachtliches Tempo für Objekte, die zwischen 100 Millionen und einer Milliarde Sonnenmassen auf die Waage bringen.
Auch der räumliche Abstand ist ungewöhnlich gering. Er entspricht lediglich dem 250- bis 540-fachen der Distanz zwischen Erde und Sonne. In kosmischen Maßstäben ist das fast ein Berührungspunkt. Damit bewegt sich das System in einer Phase, die theoretische Modelle bisher kaum zuverlässig beschreiben konnten. Bisher fehlten schlicht die passenden Beobachtungsdaten für solche engen Paare.
Warum dieser Fund die Theorie stützt
Die Grundidee der Galaxienentwicklung ist simpel: Galaxien kollidieren und verschmelzen. Folglich müssen auch ihre zentralen Schwarzen Löcher irgendwann eins werden. Nur so lässt sich erklären, wie sie ihre enorme Masse erreichen konnten. Das alleinige Aufsaugen von Gas aus der Umgebung würde viel zu lange dauern.
Das Problem lag bisher im Nachweis. Die entscheidende Endphase – wenn zwei Giganten eng umeinander kreisen – ließ sich bisher kaum direkt beobachten. Es klaffte eine Lücke zwischen der theoretischen Notwendigkeit und den verfügbaren Daten. Markarian 501 liefert nun erstmals einen Kandidaten, der genau in diese Lücke passt. Mehrere Indizien greifen hier ineinander: zwei unabhängige Jets, periodische Helligkeitsschwankungen und Bewegungsmuster, die ein einzelnes Objekt physikalisch nicht erzeugen könnte.
Der Einsteinring als physikalischer Beleg
Der Einsteinring ist in dieser Beweiskette das stärkste Glied. Im Juni 2022 wurde das Licht des hinteren Jets durch die enorme Schwerkraft des vorderen Objekts so stark abgelenkt, dass es als geschlossener Ring erschien.
Dieses Phänomen tritt nur unter extrem spezifischen geometrischen Bedingungen auf. Die beiden Massen müssen fast perfekt auf einer Sichtlinie zur Erde liegen. Dass dieser Effekt genau bei einem System beobachtet wurde, das ohnehin schon Anzeichen für ein Duo zeigte, macht die Entdeckung so wertvoll.
Verschmelzung in greifbarer Nähe
Die Berechnungen der Forschenden deuten auf einen spektakulären Zeithorizont hin: Die Verschmelzung könnte bereits in etwa 100 Jahren erfolgen. Das ist für astronomische Prozesse ein bloßer Augenblick.
Direkt mit dem Auge oder herkömmlichen Teleskopen lässt sich dieser finale Akt jedoch nicht verfolgen. Selbst das leistungsstarke Event Horizon Telescope (EHT), das bereits Bilder von Schwarzen Löchern lieferte, reicht hierfür nicht aus. Die Distanz ist zu groß, die Trennung der Objekte zu gering.
Die nächste Etappe: Gravitationswellen
Die endgültige Bestätigung soll daher über einen anderen Weg führen. Ein solches Duo sendet Gravitationswellen aus, allerdings in einem sehr niedrigen Frequenzbereich. Um diese zu messen, nutzen Fachleute sogenannte Pulsar Timing Arrays (PTAs). Dabei dienen weit entfernte, rotierende Neutronensterne als präzise kosmische Uhren.
Bereits 2023 wurde ein Hintergrundsignal solcher Wellen nachgewiesen. Markarian 501 könnte nun das erste konkrete System sein, dem man diese Wellen direkt zuordnen kann.
Co-Autor Héctor Olivares betont die Bedeutung für die Zukunft: „Wenn Gravitationswellen nachgewiesen werden, könnten wir sogar beobachten, wie ihre Frequenz stetig ansteigt, während sich die beiden Giganten spiralförmig aufeinander zu bewegen. Dies würde uns die seltene Gelegenheit bieten, das Verschmelzen von extrem massereichen Schwarzen Löchern mitzuerleben.“
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