Nukleare Sternhaufen steigern das Wachstum von Schwarzen Löchern mittlerer Masse
Schwarze Löcher mit einer Masse zwischen der stellarer und supermassereicher Schwarzer Löcher gehören zu den rätselhaftesten Objekten im Universum. Es wird angenommen, dass diese Schwarzen Löcher mittlerer Masse in vielen Zwerggalaxien vorkommen. Mithilfe neuer, hochauflösender Supercomputersimulationen haben Wissenschaftler des MPA herausgefunden, dass nukleare Sternhaufen – kompakte, massereiche Sternhaufen im Zentrum von Galaxien – möglicherweise der Schlüssel zu ihrem Wachstum sind und somit das Rätsel um die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher lösen könnten.
Alle massereichen Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, beherbergen in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch mit vielen Millionen Sonnenmassen. Die Entstehung und das Wachstum dieser Giganten sind jedoch nach wie vor ein Rätsel. Die Antwort könnte in Zwerggalaxien liegen, da einige von ihnen diese schwer zu findenden Schwarzen Löcher mittlerer Masse („intermediate-mass black holes“, IMBHs) enthalten, deren Masse das Hundert- bis Hunderttausendfache der Sonnenmasse beträgt. Sie sind massereicher als stellare Schwarze Löcher, haben jedoch nie das supermassereiche Stadium erreicht. Wegen ihrer geringen Masse beeinflussen IMBHs nur einen winzigen Bereich um sich herum durch ihr Gravitationsfeld. Deshalb fangen sie nur wenig Gas und Sterne ein, beeinflussen ihre galaktische Umgebung nur sehr begrenzt und sind schwierig nachzuweisen.
Viele Zwerggalaxien beherbergen nukleare Sternhaufen: extrem dichte Sternsysteme, die sich nur über wenige Lichtjahre erstrecken, aber dennoch einige Prozent der gesamten Sternmasse der Galaxie enthalten. Nukleare Sternhaufen bilden einen extrem kompakten und tiefen Potenzialtopf im Zentrum der Galaxie. Jüngste Beobachtungen deuten auf einen starken Zusammenhang zwischen nuklearen Sternhaufen und der Existenz von IMBHs in ihren Zentren hin. Die nuklearen Sternhaufen in Zwerggalaxien sind tendenziell massereicher als ihre IMBHs und könnten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des galaktischen Zentrums spielen. Das MPA-Team hat untersucht, wie eine solche Umgebung das Wachstum von IMBHs beeinflusst.
Das Simulieren des Wachstums von Schwarzen Löchern ist komplex, da es notwendig ist, den Transport von interstellarem Gas von galaktischen Skalen bis hinunter in den winzigen Einflussbereich des Schwarzen Lochs zu modellieren. Das Forscherteam verwendete dafür neuartige hochauflösende Simulationen, die den Einflussbereich des Schwarzen Lochs auflösen und viele relevante physikalische Prozesse im interstellaren Gas berücksichtigen. Die Simulationen verfolgen auch Millionen einzelner Sterne, einschließlich der von ihnen abgegebenen Strahlung und der Supernovae am Ende des Lebens der massereichsten Sterne. Diese Prozesse heizen das Gas und verursachen Turbulenz, was entscheidend dafür ist, ob Schwarze Löcher durch das Einfangen von Gas wachsen können.
Das Team untersuchte Zwerggalaxien mit Schwarzen Löchern unterschiedlicher Anfangsmasse. Dabei stellte es fest, dass leichte IMBHs (mit einer Masse unter 10.000 Sonnenmassen) nur wenig Gas einfangen und kaum wachsen, wenn kein nuklearer Sternhaufen vorhanden ist. Wenn das Schwarze Loch in einen Sternhaufen eingebettet ist, ermöglicht dessen zusätzliches Gravitationspotenzial einen effizienteren Transport von Gas zum galaktischen Zentrum und ein rasches Wachstum des Schwarzen Lochs. Massereiche IMBHs akkretieren auch ohne einen nuklearen Sternhaufen effizient, ihr Wachstum ist im Vergleich zu ihrer Anfangsmasse jedoch gering. Dies zeigt, dass nukleare Sternhaufen besonders für die kleinsten Schwarzen Löcher von Bedeutung sind, bei denen die Masse des Haufens die des Schwarzen Lochs bei Weitem übersteigt, wie es für Zwerggalaxien typisch ist.
Selbst mit einem nuklearen Sternhaufen kann das Wachstum durch stellare Prozesse gestört werden. Ein Teil des vom nuklearen Sternhaufen eingefangenen Gases bildet Sterne, darunter auch massereiche Sterne. Wenn diese am Ende ihres Lebens als Supernovae explodieren, können sie das Gas aus dem Zentrum der Galaxie ausstoßen und das Schwarze Loch vorübergehend aushungern. Infolgedessen durchlaufen IMBHs Zyklen von Aktivität und Ruhephasen. Die Konsequenz ist, dass viele in heutigen Himmelsdurchmusterungen unentdeckt bleiben, die meist nur aktiv akkretierende Schwarze Löcher erfassen, die Strahlung aussenden.
Die Studie zeigt daher, dass nukleare Sternhaufen für das Wachstum von Schwarzen Löchern mittlerer Masse in Zwerggalaxien unerlässlich sind, da diese sonst stagnieren würden. Dies ist besonders spannend, da viele Theorien nahelegen, dass die Vorgänger der beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher im frühen Universum durch die Kollision von Sternen in solchen Sternenhaufen entstanden sind. Die neuen Ergebnisse deuten somit nicht nur darauf hin, dass nukleare Sternhaufen der Geburtsort von Schwarzen Löchern mittlerer Masse sein könnten, sondern auch der Ort, an dem sie am effizientesten wachsen.
