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Wandernde Schwarze Löcher könnten verborgene Galaxiengeschichte enthüllen
Kosmische Außenseiter als Archiv: Nicht nur die Zahl massereicher Schwarzer Löcher, sondern auch ihr Aufenthaltsort könnte verraten, wie sie entstanden und wie ihre Galaxien gewachsen sind. Eine neue Simulation zeigt, dass Schwarze Löcher in massearmen Galaxien im Lauf der Zeit häufiger abseits des Zentrums landen. Dadurch können heutige Beobachtungen einen Teil der Population übersehen.
New Haven (U.S.A.). Im Zentrum großer Galaxien sitzt fast immer ein massereiches Schwarzes Loch. Bei kleineren Galaxien ist die Lage unübersichtlicher. Dort ist schon schwer zu bestimmen, wie viele überhaupt ein solches Objekt besitzen. Noch schwieriger wird die Suche, wenn das Schwarze Loch nicht im Kern sitzt, sondern nach einer Verschmelzung weit außerhalb des Zentrums umherzieht.
Solche wandernden Schwarzen Löcher sind nicht nur schwerer zu entdecken. Ihre Position könnte zusätzlich Informationen über die Vergangenheit ihrer Wirtsgalaxie bewahren. Forscher der Yale University um Emma Jane Weller haben deshalb untersucht, wie sich die Häufigkeit zentraler und abseits liegender Schwarzer Löcher über kosmische Zeiträume verändert.
Das Team nutzte dafür die kosmologische ASTRID-Simulation. Sie verfolgt die Entwicklung von Dunkler Materie, Gas, Sternen und Schwarzen Löchern und umfasst für diese Analyse Galaxien mit Sternmassen von zehn Millionen bis einer Billion Sonnenmassen. Die Forscher betrachteten sechs Zeitpunkte zwischen einer Rotverschiebung von fünf und der Gegenwart, insgesamt über rund 12,6 Milliarden Jahre kosmischer Entwicklung.
Entscheidend ist, dass ASTRID Schwarze Löcher nicht künstlich im Zentrum ihrer Galaxien festhält. Stattdessen berechnet das Modell auch die dynamische Reibung, durch die ein versetztes Schwarzes Loch allmählich wieder nach innen sinken kann. Als zentral galten Objekte innerhalb des stellaren Halbmassenradius ihrer Galaxie. Schwarze Löcher außerhalb dieser Grenze wertete das Team als Wanderer.
Über fast den gesamten untersuchten Massenbereich enthält in der Simulation weiterhin nahezu jede Galaxie mindestens ein massereiches Schwarzes Loch. Doch in kleinen Galaxien verschiebt sich dessen Position deutlich. Mit fortschreitender kosmischer Zeit sinkt dort der Anteil der Galaxien mit zentralem Schwarzen Loch, während der Anteil mit einem Wanderer zunimmt. Viele massearme Systeme besitzen höchstens ein solches Objekt, sodass sich beide Entwicklungen unmittelbar ergänzen.
Nach den Modellrechnungen sind vor allem Verschmelzungen für diesen Effekt verantwortlich. Sie können Schwarze Löcher aus dem Zentrum verdrängen oder weitere Schwarze Löcher an abgelegenen Positionen in eine Galaxie einbringen. In massearmen Galaxien ist die dynamische Reibung schwächer, sodass solche Wanderer besonders lange außerhalb des Zentrums bleiben können.
„Einige der aufschlussreichsten Schwarzen Löcher des Universums könnten diejenigen sein, die davongewandert sind“, erklärt Priyamvada Natarajan von der Yale University.
Damit trägt der Aufenthaltsort eine andere Information als die bloße Anwesenheit eines Schwarzen Lochs. Die Gesamtzahl kann eher Spuren der anfänglichen Entstehungsszenarien bewahren, während die Verteilung zwischen Zentrum und Außenbereichen zusätzlich die spätere Verschmelzungs- und Bewegungsgeschichte widerspiegelt. Besonders in kleinen Galaxien könnten sich diese beiden Einflüsse deshalb besser voneinander trennen lassen.
Auch die angenommene Anfangsmasse der Schwarzen Löcher macht einen Unterschied. Beschränkten die Forscher die Auswertung auf Nachfahren schwerer Anfangskeime mit mehr als 100.000 Sonnenmassen, fiel der Anteil besetzter massearmer Galaxien deutlich geringer aus. Die Simulation legt damit nahe, dass gerade kleine Galaxien noch lange Hinweise auf die frühe Entstehung massereicher Schwarzer Löcher bewahren können.