Komplizierte Kugelsternhaufen: Omega Centauri hat ein kleines Loch
Wie sich vor Kurzem herausgestellt hat, ist dieses IMBH aber nicht das einzige Schwarze Loch, das Omega Centauri zu bieten hat. Eine Forschungsgruppe um Matthew Whitaker und Evan Kerr von der University of Utah in den USA hat dort nun ein weiteres gefunden: Es ist ein stellares Schwarzes Loch, das gemeinsam mit einem normalen Stern ein Doppelsystem bildet. Es weist rund 4,5 Sonnenmassen auf und ist damit auch unter den stellaren Schwarzen Löchern eher ein Leichtgewicht. Doch gerade dieses als »oMEGACat BH-2« bezeichnete Schwarze Loch könnte dabei helfen, gleich mehreren großen Geheimnissen auf die Spur zu kommen. Und die hängen allesamt mit einer scheinbar einfachen Frage zusammen:
Wie viele Löcher hat eine Kugel?
»Eigentlich müssen Kugelsternhaufen in ihrer Frühphase Unmengen an Schwarzen Löchern produziert haben«, sagt Sebastian Kamann von der Liverpool John Moores University in England, der auch an der im Fachmagazin »The Astrophysical Journal Letters« publizierten Studie beteiligt war. Schließlich sind die Kugelsternhaufen uralt und sämtliche massereichen Sterne in ihnen längst erloschen. Sterne mit einer ausreichend großen Ausgangsmasse zwischen 10 und 15 Sonnenmassen enden nahezu ausschließlich als Schwarzes Loch. Darüber hinaus enthalten Kugelsternhaufen nur einen geringen Anteil an Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Diese geringe sogenannte Metallizität sollte die Entstehung von Schwarzen Löchern sogar noch begünstigen. Doch wo sind all diese Schwarzen Löcher geblieben?
»Aufgrund der hohen Sternendichte im Haufen sind Wechselwirkungen zwischen den Sternen möglich. Deshalb sind Kugelsternhaufen eine gute Umgebung für Schwarze Löcher, um sich gegenseitig zu finden und neue Doppelsysteme zu bilden«, erklärt Kamann. Und wenn man schon einmal dabei ist: In einem solchen Doppelsystem könnten sich zwei Schwarze Löcher allmählich annähern und schließlich miteinander verschmelzen. Dabei entstehen Gravitationswellen – genau wie bei dem Ereignis, das eine internationale Forschungsgruppe erstmals im Jahr 2015 direkt nachweisen konnte. Damals verschmolzen zwei Schwarze Löcher mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen in einer Entfernung von rund 1,4 Milliarden Lichtjahren miteinander. Nähere Informationen über die Umgebung konnten dabei jedoch nicht gewonnen werden.
»Eigentlich müssen Kugelsternhaufen in ihrer Frühphase Unmengen an Schwarzen Löchern produziert haben.«Sebastian Kamann, Astronom
Ein Kugelsternhaufen gilt prinzipiell als guter Kandidat für eine Quelle von Gravitationswellen. Nirgendwo sonst kommen sich Himmelskörper so häufig so nahe. Kamann selbst meint: »Kugelsternhaufen müssten perfekt dafür sein.«
Der Konjunktiv lässt es allerdings erahnen: Es spricht auch einiges dagegen. »Ein typischer Kugelsternhaufen hat wahrscheinlich schon relativ schnell einen großen Anteil seiner Schwarzen Löcher verloren«, sagt Holger Baumgardt von der University of Queensland in Australien. Der Grund liegt schon in der Geburt der Schwarzen Löcher: Der Entstehung geht üblicherweise eine Supernova-Explosion voraus, die selten perfekt symmetrisch abläuft. Deshalb könne einem Schwarzen Loch eine Art »Geburtsstoß« (aus dem Englischen: natal kick) mitgegeben werden. Ein kräftiger Schubs genügt womöglich, um das frisch gebackene Schwarze Loch geradewegs aus dem Kugelsternhaufen zu befördern. Massenreichere Kugelsternhaufen wie Omega Centauri haben dabei einen Vorteil inne: Aufgrund ihrer höheren Fluchtgeschwindigkeit können sie ihre Schwarzen Löcher eher behalten als kleinere Haufen.
Doch selbst wenn ein Schwarzes Loch nicht gleich bei seiner Entstehung aus dem Kugelsternhaufen geworfen wird, ist es nicht vor einem Rauswurf sicher. Die massereicheren Schwarzen Löcher sinken durch dynamische Wechselwirkungen allmählich in Richtung Zentrum des Kugelsternhaufens. Dort begegnen sie anderen Schwarzen Löchern häufiger, bilden Doppelsysteme oder gehen sogar Mehrfachsysteme ein. Derartige Verbindungen sind allerdings instabil und können wiederum in einem Rausschmiss eines Schwarzes Lochs enden, lange bevor es überhaupt zu einer Verschmelzung kommen könnte. »Deshalb sind in kleineren Kugelsternhaufen wahrscheinlich überhaupt nicht mehr viele Schwarze Löcher übrig«, so Baumgardt.
Omega Centauri könnte dieses größtenteils lochlose Schicksal aufgrund seiner großen Masse erspart geblieben sein. Auch seine Schwarzen Löcher wären gen Zentrum gedriftet. Doch anstatt sich gegenseitig ins Abseits zu befördern, wären sie dort auf einen sehr viel massereicheren Gegner gestoßen: das mittelschwere Schwarze Loch mit rund 8200 Sonnenmassen. Baumgardt und sein Team vermuten, dass ein großer Teil der Masse des mittelschweren Schwarzen Lochs von kleineren Schwarzen Löchern kommt, die von diesem verschluckt worden sind. Ganz leer sollte Omega Centauri dennoch nicht sein. Simulationen zufolge könnten auch heute noch bis zu 10 000 stellare Schwarze Löcher übrig sein. Das ist zwar mehr als die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen, doch gestaltet sich die Suche nach ihnen als mindestens genauso aufwendig.
Die unsichtbare Nadel im kugeligen Heuhaufen
oMEGACat BH2 ist neben zwei stellaren Schwarzen Löchern im Kugelsternhaufen NGC 3201 erst das dritte Exemplar, das in einem Kugelsternhaufen ausfindig gemacht wurde – und das trotz jahrzehntelanger Suche. Warum die Ausbeute so mager ist, lässt sich bislang nicht eindeutig sagen. Klar ist: Sollten die potenziellen Unmengen an Schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen inzwischen wirklich größtenteils hinausgeschmissen worden sein und allein durchs All driften, dann gibt es praktisch keine Chance, sie zu beobachten. Denn ein Schwarzes Loch macht sich nur dann bemerkbar, wenn es mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt, vorzugsweise dann, wenn es gerade Materie akkretiert und an Masse zunimmt. Das erste beobachtete Schwarze Loch überhaupt, Cygnus X-1, fiel etwa als helle Röntgenquelle auf. Es saugt Materie von seinem Begleitstern ab, die sich beim Einfall stark erhitzt und dabei intensive Röntgenstrahlung aussendet. Auch interstellares Gas, das in einer Akkretionsscheibe erhitzt wird, kann ein Schwarzes Loch enttarnen. In den altehrwürdigen Kugelsternhaufen gibt es davon allerdings kaum noch etwas.
Eine andere Möglichkeit, ein Schwarzes Loch in einem Doppelsystem aufzuspüren, bietet die Radialgeschwindigkeitsmethode. Sie funktioniert ähnlich wie beim Nachweis von Exoplaneten: Mithilfe von spektroskopischen Beobachtungen kann verfolgt werden, wie sich der sichtbare Stern entlang der Sichtlinie zum Beobachter bewegt. Anhand dieser Bewegung kann auf den unsichtbaren Partner geschlossen werden. Auf diese Weise wurden auch die beiden Schwarzen Löcher in NGC 3201 gefunden.
»Nur mit einer Geschwindigkeitsmessung können wir noch relativ wenig über ein mögliches Schwarzes Loch sagen. Was wir brauchen, ist eine Veränderung der Geschwindigkeit, also eine Beschleunigung.«Maximilian Häberle, Astronom
Ähnliche Suchen in Omega Centauri blieben jedoch bislang erfolglos. Stattdessen ist das Forschungsteam oMEGACat BH-2 mithilfe der Astrometrie auf die Schliche gekommen (siehe »Versteckt im Sternengewimmel«). »Bei der Astrometrie schaut man sich die beiden anderen Raumdimensionen an, also ob sich der Stern auf der Himmelskugel bewegt«, sagt Häberle, inzwischen an der Europäischen Südsternwarte ESO in Garching, der auch an dieser Studie beteiligt war. »Aber nur mit einer Geschwindigkeitsmessung können wir noch relativ wenig über ein mögliches Schwarzes Loch sagen. Was wir brauchen, ist eine Veränderung der Geschwindigkeit, also eine Beschleunigung.« Sie ist ein eindeutiger Hinweis darauf, dass sich ein Stern auf einer Umlaufbahn befindet, und lässt Rückschlüsse über den unsichtbaren Partner zu.
Auch Sgr A* im Zentrum der Galaxis wurde mithilfe der Astrometrie nachgewiesen. Und ebenso hat sich das mittelschwere Schwarze Loch in Omega Centauri durch die Bahnbewegung naher Sterne verraten. »Aber es ist eine vergleichsweise teure Beobachtungstechnik, weil wir nicht nur eine oder zwei Messungen brauchen, sondern sehr viele Beobachtungen über einen sehr langen Zeitraum hinweg«, so Häberle.
Für Omega Centauri gab es dafür eine außergewöhnlich gute Ausgangslage. Mit dem Weltraumteleskop Hubble werden seit mehr als 20 Jahren regelmäßig Aufnahmen des Zentrums von Omega Centauri erstellt – ein regelrechter Schatz an Daten. Dies geschieht wohlgemerkt eigentlich nur, um die Instrumente des Weltraumteleskops zu kalibrieren. Inzwischen werden diese Aufnahmen aber auch wissenschaftlich genutzt und haben so auch die Entdeckung des mittelschweren Schwarzen Lochs ermöglicht. Für das neu entdeckte stellare Schwarze Loch kamen zusätzlich noch Aufnahmen hinzu, die das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) gemacht hat.
Das Doppelsystem von oMEGACat BH-2 war bereits zuvor als Kandidat für einen Stern mit einem dunklen Begleiter identifiziert worden. Damals vermutete man jedoch noch einen Neutronenstern. Ein entscheidender Glücksfall für die Entdeckung war, dass die HST-Daten zufällig den Zeitpunkt der Periastron-Passage, also die größte Annäherung beider Objekte im Doppelsternsystem, im Jahr 2012 abdeckten. In dieser Phase sind die Bahnbeschleunigung und Krümmung am höchsten, was eine präzise Berechnung der Masse des dunklen Partners erlaubt (siehe »Rekonstruktion der Umlaufbahn«). Sie konnte auf rund 4,5 Sonnenmassen bestimmt werden – deutlich oberhalb der stabilen Massengrenze für einen Neutronenstern. Der sichtbare Stern selbst wird auf maximal 0,78 Sonnenmassen geschätzt. Mit einer Umlaufzeit von etwa 94 Jahren ist oMEGACat BH-2 zudem das Doppelsystem mit der bisher längsten Periode.
Aufgrund der großen Distanz zwischen den Komponenten ist das System recht schwach gebunden, ein sogenanntes »weiches« Doppelsystem. Nahe vorbeiziehende Sterne könnten es destabilisieren. Entsprechende Simulationen zeigen, dass es innerhalb eines Zeitraums von nur 800 Millionen Jahren auseinandergerissen werden könnte. Wegen dieser relativ kurzen Lebenszeit im Vergleich zum Alter des Haufens, vermutet die Forschungsgruppe, dass sich das System dynamisch gebildet hat, also durch eine zufällige nahe Begegnung und den anschließenden Einfang des Sterns durch das Schwarze Loch.
Die falsche Gewichtsklasse
Drei Schwarze Löcher in zwei Kugelsternhaufen sind allerdings zu wenig, um daraus allgemeine Rückschlüsse über ihre Häufigkeit oder ihr Potenzial als Quellen von Gravitationswellen ziehen zu können. »Trotzdem ist es ein bisschen überraschend, dass alles, was wir im Moment an Schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen kennen, eine relativ geringe Masse hat«, resümiert Kamann. Eigentlich wäre das Gegenteil zu erwarten. Es sollte nicht nur einfacher sein, massereichere Schwarze Löcher aufzuspüren, sondern diese sollten in Kugelsternhaufen aufgrund ihrer geringen Metallizität besonders häufig entstehen. »Das, was wir beobachten, ist leichter als das, was wir beobachten sollten.«
Hinzu kommt, dass die bislang gefundenen masseärmeren Schwarzen Löcher nicht unbedingt zu den beobachteten Gravitationswellensignalen passen. Bei den bisherigen Nachweisen verschmolzen vornehmlich Schwarze Löcher mit zehn, 20 oder 30 Sonnenmassen miteinander. Sollte sich diese leichte Tendenz bestätigen, könnte das darauf hindeuten, dass Kugelsternhaufen zumindest nicht die dominierende Quelle dieser Gravitationswellen sind.
In jedem Fall gestaltet sich die Suche nach den stellaren Schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen als Geduldsspiel. Ob das wirklich daran liegt, dass der Großteil längst hinausgeworfen wurde, oder eher daran, dass ihr Nachweis sehr viel Beobachtungszeit an sehr heiß begehrten Großteleskopen erfordert, lässt sich derzeit nicht sagen. Die Suche nach weiteren Schwarzen Löchern in Omega Centauri geht daher weiter. Angesichts der Schätzung, dass allein das Milchstraßensystem rund 170 Millionen Schwarze Löcher beherbergen soll, von denen die allerwenigsten bekannt und die allermeisten völlig unsichtbar sind, erstaunt es nicht, dass die Frage, wie viele Löcher eine Kugel hat, noch lange nicht geklärt sein wird.