21.01.2010 —

Unter den Astronomen gilt es als sicher, dass im Zentrum praktisch jeder Galaxie ein riesiges Schwarzes Loch von Millionen Sonnenmassen residiert. Unklarheit herrscht allerdings darüber, inwieweit sich die zeitliche Entwicklung der Galaxien und ihrer Schwarzen Löcher im Zentrum gegenseitig beeinflussen. Ein Forschungsprojekt unter Federführung von Andrea Merloni am Exzellenzcluster Universe der TU München brachte dazu neue Erkenntnisse ans Licht.

Nachdem Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie formuliert hatte, existierten Schwarze Löcher lediglich als theoretische Möglichkeit. Inzwischen sind Astrophysiker davon überzeugt, dass diese Objekte überaus zahlreich im Universum, ja selbst in unserer Milchstraße vertreten sind: Schwarze Löcher, die exotischsten aller kosmischen Objekte, gehören längst zum Standardrepertoire in der astrophysikalischen Forschung. Dank der gestochen scharfen Augen des Hubble-Space-Telescope hat sich in den vergangenen 20 Jahren die Erkenntnis etabliert, dass Schwarze Löcher nicht nur als vergleichsweise massearme Überreste von Sternexplosionen (Supvernovae) durch die Galaxien driften, sondern auch als riesige Schwerkraftzentren den Mittelpunkt der meisten Galaxien bilden.

Bild 1: Beispiel einer von insgesamt 89 beobachteten Galaxien: Das Bild links zeigt Aufnahmen der Galaxie in verschiedenen Wellenlängenbereichen (Farben). Die rechte Abbildung zeigt die Gesamtenergie bei unterschiedlichen Wellenlängen. Der Energiebeitrag (graue Linie) der Muttergalaxie und des Schwarzen Lochs (violette Linie) sind klar zu erkennen.

Solche zentralen Löcher erreichen zwischen mehreren Millionen und mehreren Milliarden Sonnenmassen und nehmen sich damit, verglichen mit den kleinen Sternleichen, wahrhaft gigantisch aus. Sie. In früheren kosmischen Epochen waren die massereichen Schwarzen Löcher in der Regel von dichten Scheiben aus dem interstellaren Material, also Gas und Staub, umgeben. Solche rasch rotierenden Akkretionsscheiben heizen sich in durch die innere Reibung stark auf, sodass sie extrem hell leuchten, heller als alle Sterne der Galaxie zusammen. Sternsysteme, die diesen Effekt aufweisen, nennt man aktive Galaxien.

Wie bereits frühere Analysen der Schwarzen Löcher in den Galaxien unserer kosmischen Umgebung zeigte, gibt es einen engen Zusammenhang zwischen den Massen der zentralen Schwarzen Löcher und einigen physikalischen Eigenschaften der Galaxienzentren. Die Gesamtmasse der Sterne des galaktischen Zentrums und jene des Schwarzen Loches bilden ein nahezu festes Verhältnis. Dass dieses Massenverhältnis möglicherweise einer kosmischen Entwicklung unterworfen ist, vermuten Forscher schon seit längerem. Einem Konsortium aus internationalen Forschern, unter ihnen Andrea Merloni vom Münchner Exzellenzcluster Universe als federführendem Wissenschaftler, ist es nun gelungen, diese Hypothese auf soliden Grund zu stellen.

Für ihre Analyse zogen die Forscher Daten der internationalen zCOSMOS-Beobachtungskampagne heran, in deren Rahmen mehr als 10.000 extrem helle, aktive und inaktive Galaxien spektroskopisch vermessen wurden. Dank der bis dahin unerreichten Datenvielfalt des zCOSMOS-Surveys gelang es den Forschern, aus der empfangenen Strahlung die jeweiligen Anteile der aktiven Zentralregion und der umgebenden Region zu extrahieren. Dazu wurde eine neue Technik entwickelt, mit deren Hilfe es möglich wurde, aus der Farbverteilung der Galaxie, (der spektralen Energieverteilung) auf die Masse der Umgebungssterne zu schließen. Die Schwarzen Löcher „wogen“ die Forscher mit Hilfe der charakteristischen Emissionslinien der Akkretionsscheiben.

Bild 2: Das Diagramm verdeutlicht die Entwicklung des Massenverhältnisses zwischen Schwarzen Löcher und ihren Muttergalaxien über die Zeit. Der Trend ist klar zu erkennen: In der Vergangenheit waren die Schwarzen Löcher in Galaxien einer bestimmten Größe massereicher. 

Wie sich aus den Messungen an 89 aktiven Galaxien ergab, waren die Massenverhältnisse zwischen den Schwarzen Löchern und den Sternen in den galaktischen Zentren vor 10 Milliarden Jahren durchschnittlich um das Dreifache höher als dies heute in unserer kosmischen Umgebung der Fall ist. Der Blick in diese tiefe Vergangenheit des Universums ist möglich, weil das Licht jener Galaxien eine Reise von 10 Milliarden zu bewältigen hatte, um zur Erde zu gelangen. Da das Wachstum Schwarzer Löcher von der Menge der verfügbaren „Nahrung“ abhängt, also den Sternen sowie dem interstellaren Gas in ihrer Umgebung, schließen die Forscher aus ihren Ergebnissen, dass sich die aktiven Galaxien des früheren Universums durch eine besonders hohe Sternenstehungsrate auszeichnen.

Gleichwohl interpretieren die Wissenschaftler Forscher ihre Ergebnisse mit einem gebührenden Maß an Vorsicht. „Unsere Beobachtungsergebnisse lassen offen, wie das Wachstum der Schwarzen Löcher im Detail verläuft.“, sagt Andrea Merloni.  „Möglich, dass sich das heute beobachtete Massenverhältnis zwischen den Schwarzen Löchern und den Galaxienkernen erst vor vergleichsweise kurzer Zeit eingestellt hat. Andererseits könnten die Schwarzen Löcher im Verlauf der letzten sieben Milliarden Jahre individuelle Entwicklungsschübe durchgemacht und ihre Massen sprunghaft den heutigen Werten angepasst haben.“ Dies würde die beobachtete Streuung der Messwerte als tatsächlichen physikalischen Effekt erklären. Um zwischen diesen Szenarien zu zu entscheiden, benötigen die Wissenschaftler allerdings noch wesentlich mehr Beobachtungsdaten.

Die detaillierten Ergebnisse der Arbeit wurden am 1. Januar 2010 im renommierten Astrophysical Journal veröffentlicht (Merloni et al, 2010, “On the Cosmic Evolution of the Scaling Relations between Black Holes and their Host Galaxies: Broad Line AGN in the zCOSMOS Survey”, ApJ, 708, 137).