M87
Masse des Schwarzen Lochs unterschätzt?
von Stefan Deiters
astronews.com
10. Juni 2009

Mit Hilfe eines neuen, detaillierteren Computermodells haben Astronomen die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs in der relativ nahen elliptischen Riesengalaxie M87 neu bestimmt: Mit der 6,4 Milliarden-fachen Masse unserer Sonne ist es bis zu drei Mal massereicher als bislang angenommen. Der Fund könnte wichtig für das Verständnis der Galaxienentstehung und -entwicklung sein und zudem ein altes Paradoxon lösen helfen.

M87 mit seinem eindrucksvollen Jet in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Bild: The Hubble Heritage Team STScI/AURA) und NASA/ESA

Was Karl Gebhardt von der University of Texas in Austin am Montag auf einem Treffen der American Astronomical Society präsentierte, könnte einen entscheidenden Einfluss auf unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung von Galaxien und die Größe der in ihrem Zentrum gelegenen supermassereichen Schwarzen Löcher haben. Gemeinsam mit seinem Kollegen Jens Thomas vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München hat Gebhardt mit Hilfe einer Computersimulation die Masse des zentralen Schwarzen Lochs in der nahegelegenen elliptischen Riesengalaxie M87 neu bestimmt. Die Resultate veröffentlichen die Astronomen auch im Sommer in einem Fachbeitrag in der Zeitschrift The Astrophysical Journal.

Um zu verstehen wie Galaxien entstehen und sich entwickeln, sollte man sich zuerst einmal einen Überblick über die Galaxien in unserer Nachbarschaft verschaffen. Woraus bestehen sie, wie groß sind sie genau und welche Masse haben sie? Die Masse versuchen die Astronomen aus der Bewegung der Sterne in der Galaxie zu schließen, deren Bahnen ja schließlich von der Masse der Galaxie bestimmt werden.

Doch die Gesamtmasse ist nicht alles: "Der entscheidende Punkt ist, ob sich diese Masse im Schwarzen Loch, in den Sternen oder aber im dunklen Halo befindet", erläutert Thomas. "Deswegen muss man umfangreiche Modelle entwickeln, durch die man diese Bestandteile auseinanderhalten kann. Und je mehr Komponenten man hat, desto komplizierter ist das Modell."

Für ihre Untersuchung stand Gebhardt und Thomas ein Supercomputer des Texas Advanced Computing Centers zur Verfügung, der aus einem Cluster von Linux-Computern mit insgesamt 5.840 Prozessorkernen besteht. Diese Rechenleistung benötigten die Astronomen, da ihr neues Modell von M87 nicht nur die Sterne und das Schwarze Loch im Zentrum berücksichtigt, sondern auch den dunklen Halo der Galaxie. Bei diesem Halo handelt es sich um einen kugelförmigen Bereich, der die Galaxie großräumig umgibt und in dem sich die mysteriöse Dunkle Materie befindet.

"In der Vergangenheit hielten wir den dunklen Halo zwar immer für wichtig", erklärt Gebhardt, "wir hatten aber nie die Computerkapazitäten, um diesen auch berücksichtigen zu können. Deswegen haben wir uns zuvor immer auf die Sterne und die Schwarzen Löcher beschränkt. Wenn man den dunklen Halo hinzunimmt, werden die Modelle zu kompliziert und man braucht einen Supercomputer."

Das Ergebnis der neuen Simulationen hat die Astronomen allerdings überrascht: Das Schwarze Loch von M87 ist danach zwei bis drei Mal massereicher als es nach vorherigen Berechnungen erschien. "Wir haben das überhaupt nicht erwartet", so Gebhardt, der sein neues Modell eigentlich nur an der wohl "wichtigsten Galaxie da draußen" testen wollte.

Die elliptische Riesengalaxie M87 ist nämlich nicht nur außergewöhnlich massereich, sondern uns auch verhältnismäßig nahe, was sie zu einem idealen Studienobjekt macht. Es war eine der ersten Galaxien überhaupt, in denen man ein supermassereiches Schwarzes Loch vermutete. M87 verfügt zudem über einen gewaltigen kosmischen Jet (astronews.com berichtete). Für die Astronomen stellt M87 damit quasi das Rückgrat für die Forschung über supermassereiche Schwarze Löcher dar.

Die neuen Ergebnisse der Simulationen sowie Hinweise aus früheren Untersuchungen und aktuelle Beobachtungsdaten mit leistungsfähigen Instrumenten lassen nach Ansicht von Gebhardt vermuten, dass die Masse der meisten Schwarzen Löcher von massereichen Galaxie bislang zu niedrig eingeschätzt wurde. Wichtig ist dies für das Verhältnis von zentralen Schwarzen Löchern und ihren Galaxien. "Wenn man die Masse des Schwarzen Lochs verändert, ändert man auch die Beziehung zwischen Galaxie und Schwarzen Loch", so Thomas.

Bislang gingen die Astronomen von einem bestimmten festen Verhältnis zwischen der Masse des sogenannten galaktischen Bulges, der kugelförmigen Ansammlung von Gas und Sternen in der Mitte einer Galaxie, und der des Schwarzen Lochs im Zentrum aus (astronews.com berichtete). Diese Beziehung ist nach Ansicht der Wissenschaftler entscheidend, um die Entwicklung von Galaxien zusammen mit ihren Schwarzen Löchern zu verstehen. Die neue Massenbestimmung könnte nun dazu führen, dass man die Beziehung überarbeiten muss.

Vielleicht lässt sich mit den größeren Massen für Schwarze Löcher auch noch ein anderes Paradoxon lösen: Die Masse der Schwarzen Löcher in Quasaren, also weit entfernten Galaxien mit einem aktiven Schwarzen Loch, erschien den Astronomen lange Zeit als deutlich zu hoch: "Es gab lange ein Problem mit den Massen der Schwarzen Löchern in Quasaren. Einige waren extrem groß, bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen", erklärt Gebhardt. "In unserer Umgebung haben wir solche massereichen Schwarzen Löcher nie gefunden und man nahm daher an, dass die ermittelte Masse bei den Quasaren falsch war." Würde man aber die Masse der Schwarzen Löcher um den Faktor zwei oder drei erhöhen - wie bei M87 - "löst sich das Problem fast in Luft auf."