eROSITA hat acht Schwarze Löcher mit extremen Massenverhältnissen entdeckt

Kosmisches Ungleichgewicht: Acht aktive Schwarze Löcher vereinen jeweils mehr als fünf Prozent der Sternmasse ihrer Wirtsgalaxien auf sich, mindestens zehnmal so viel wie im typischen Verhältnis naher elliptischer Galaxien. Die eROSITA-Funde zeigen, dass solche Extremfälle auch lange nach der kosmischen Frühzeit auftreten können und bisherige Modelle der gemeinsamen Entwicklung von Galaxien und Schwarzen Löchern herausfordern.

Garching (Deutschland). Supermassereiche Schwarze Löcher und ihre Galaxien scheinen über weite Teile der kosmischen Geschichte eng miteinander verbunden zu wachsen. In nahen elliptischen Galaxien liegt die Masse des zentralen Schwarzen Lochs typischerweise bei rund 0,5 Prozent der Sternmasse. Doch einzelne Systeme weichen stark von dieser Beziehung ab.

Solche übermassereichen Schwarzen Löcher wurden zuletzt vor allem in Zwerggalaxien und im sehr jungen Universum diskutiert. Unklar blieb, ob dafür besondere Bedingungen der kosmischen Frühzeit oder ungewöhnliche Startmassen der ersten Schwarzen Löcher nötig sind. Jetzt zeigt eine systematische Röntgensuche, dass extreme Massenverhältnisse auch bei weiter entwickelten Galaxien in deutlich späteren Epochen vorkommen.

Ein Verhältnis von mindestens eins zu zwanzig

Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) um Dr. Johannes Buchner haben dafür ein 140 Quadratgrad großes Himmelsfeld der eROSITA-Durchmusterung ausgewertet. In einer gut definierten Stichprobe aus 200 im harten Röntgenlicht ausgewählten aktiven Galaxienkernen fanden sie drei besonders extreme Systeme. Fünf weitere extreme Systeme stammen aus derselben Himmelsregion und wurden im weicheren Röntgenband entdeckt. Die acht Systeme liegen bei Rotverschiebungen von z=0,3 bis 0,8 und damit deutlich später in der kosmischen Geschichte als die frühesten JWST-Funde.

Bei allen acht Objekten liegt das Verhältnis von Schwarzer-Loch-Masse zu Sternmasse der Wirtsgalaxie oberhalb von fünf Prozent. Damit liegen die Systeme mehr als vier Standardabweichungen über der Vergleichsbeziehung für sternbildende Galaxien. Die Schwarzen Löcher selbst bringen nach den Messungen ungefähr 800 Millionen bis vier Milliarden Sonnenmassen auf die Waage.

„Astronomen gingen davon aus, dass zentrale Schwarze Löcher stets eng gekoppelt mit ihren Galaxien wachsen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das nicht immer der Fall ist“, sagt Dr. Johannes Buchner.

Wie die Massen bestimmt wurden

Die Forscher bestimmten die Massen der Schwarzen Löcher aus optischen Spektren und vor allem aus der breiten Hβ-Emissionslinie. Aus Linienbreite und Leuchtkraft lässt sich die Masse eines aktiven Schwarzen Lochs abschätzen. Für einzelne Objekte bleibt dabei allerdings eine systematische Unsicherheit von ungefähr einem Faktor drei.

Für die Sternmasse der Galaxien trennte das Team das helle Licht des Quasars rechnerisch vom schwächeren Licht seiner Wirtsgalaxie. Dazu kombinierten die Forscher Beobachtungen vom Ultravioletten bis ins Infrarote. Bei mehreren Extremobjekten ließ sich für die Sternmasse nur eine Obergrenze bestimmen, doch selbst unter Berücksichtigung der Messunsicherheiten bleibt die Population ungewöhnlich. Simulationen von Auswahl und Messstreuung deuten darauf hin, dass mindestens die Hälfte der Objekte intrinsisch noch ein Verhältnis von mehr als zwei Prozent erreicht.

„Die geringe Helligkeit der Heimatgalaxien zeigt, dass sie keine Sternmasse wie eine Galaxie von der Größe der Milchstraße besitzen können. Andernfalls wären sie in den vorhandenen Bildern deutlich sichtbar“, sagt Dr. Johannes Buchner.

Wie die Wirtsgalaxien tatsächlich aussehen, bleibt dagegen offen. Die vorhandenen Daten zeigen noch nicht sicher, ob sie besonders kompakt sind, wie viele neue Sterne sie bilden oder ob frühere Wechselwirkungen Sterne aus ihnen entfernt haben. Hochaufgelöste Beobachtungen sollen diese Möglichkeiten auseinanderhalten.

Wachstum ohne gleiches Galaxienwachstum

Entscheidend ist, dass die extremen Schwarzen Löcher nicht nur massereich sind, sondern weiterhin Materie aufnehmen. Die Studie untersucht deshalb ein Szenario, in dem das Schwarze Loch bei ungefähr konstantem Verhältnis zur Eddington-Grenze exponentiell wächst. Bei einem typischen Eddington-Verhältnis von zehn Prozent könnte ein Schwarzes Loch seine Masse innerhalb von rund einer Milliarde Jahren etwa verzehnfachen, wobei Ruhephasen zwischen einzelnen Wachstumsschüben möglich sind.

„Diese Schwarzen Löcher sind im Verhältnis zu ihren Heimatgalaxien bereits ungewöhnlich massereich und nehmen dennoch weiterhin Materie auf“, sagt Catarina Aydar vom MPE.

Die Häufigkeit spricht ebenfalls gegen bloße Einzelfälle. Für die beobachtbaren übermassereichen Röntgenquasare schätzt das Team eine Raumdichte von rund 16 pro Kubikgigaparsec, mit erheblicher statistischer Unsicherheit. Selbst die konservative Untergrenze liegt oberhalb von vier pro Kubikgigaparsec. Simulationen deuten zudem darauf hin, dass nur etwa ein bis zehn Prozent aller solchen Systeme im Röntgenlicht erfasst werden.

Gängige kosmologische Simulationen bilden diese Extremfälle bislang nicht vollständig ab. Drei der beobachteten Systeme liegen sogar außerhalb des Bereichs, den die verglichenen Modelle für Schwarze-Loch- und Sternmassen erzeugen. Nach Ansicht der Autoren könnte deshalb ein länger anhaltender Gasnachschub das Schwarze Loch zeitweise schneller wachsen lassen als die Sternpopulation seiner Galaxie.

Das hat auch Folgen für den Blick ins frühe Universum. Übermassereiche Schwarze Löcher müssen demnach nicht ausschließlich ein direkter Fingerabdruck besonderer Schwarzer-Loch-Keime aus der kosmischen Frühzeit sein. Die neuen Ergebnisse zeigen vielmehr, dass stark entkoppeltes Wachstum auch später entstehen kann. Wie häufig dieser Weg ist und wie die betroffenen Galaxien aussehen, müssen weitere eROSITA-Daten und höher aufgelöste Beobachtungen klären.

Quellen:

Originalstudie im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202659356

Offizielle Studienmitteilung von Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE)

7. September 2026 - Clara Lyu

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