Radioteleskop-Beobachtungen über 23 Jahre zeigen zwei Teilchenjets, die auf die Bewegung schwarzer Löcher hindeuten, die in 100 Jahren verschmelzen könnten

Supermassive Schwarze Löcher und die Suche nach einem engen Doppel-System

Supermassive Schwarze Löcher mit Massen von 100 Millionen bis 1 Milliarde Sonnenmassen gehören zu den rätselhaftesten Objekten im Universum. In der Forschung gilt als wahrscheinlich, dass sie unter anderem durch Verschmelzungen wachsen – trotzdem gelang es bislang nicht, ein enges Paar solcher Giganten direkt zu erfassen. In einer neuen Studie hat dies erstmals eine internationale Gruppe unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) geschafft: Die Astronominnen und Astronomen lieferten direkte Hinweise auf ein solches System in der Galaxie Markarian 501.

Zwei Teilchenjets in Mrk 501 als indirekter Beleg

Für die Analyse nutzte das Team ein Netzwerk von Radioteleskopen und wertete hochwertige Messungen bei verschiedenen Frequenzen aus, die über 23 Jahre gesammelt wurden. Dabei traten zwei starke Teilchenjets zutage, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Der erste Jet ist in Richtung Erde ausgerichtet und erscheint deshalb deutlich heller. Der zweite Jet zeigt in eine andere Richtung und liess sich entsprechend schwieriger nachweisen. Eine Langzeit-Auswertung ergab, dass sich dieser zweite Jet gegen den Uhrzeigersinn um das massereichere Schwarze Loch bewegt. Zudem verläuft der Vorgang zyklisch – ein Muster, das als Hinweis auf die Orbitbewegung eines Doppel-Systems supermassiver Schwarzer Löcher interpretiert wird.

Ringförmige Einstein-Struktur im Juni 2022

Im Juni 2022 nahm die Strahlung des Systems die Gestalt eines Einstein-Rings an: Das Licht des zweiten Jets wurde durch das erste Schwarze Loch so abgelenkt, dass ein nahezu perfekter Kreis entstand. Diese Form des Gravitationslinseneffekts stützt die Annahme von zwei Schwarzen Löchern, da ihre Anordnung aus Sicht der Beobachtungspunkte besonders gut ausgerichtet ist.

Umlaufzeit, Abstand und mögliche Verschmelzung in rund 100 Jahren

Den Schätzungen der Forschenden zufolge umkreisen sich die beiden Objekte mit einer Periode von etwa 121 Tagen. Der Abstand liegt bei 250–540 astronomischen Einheiten – für derart massereiche Körper ein vergleichsweise kleiner Wert. Bleibt die beobachtete Dynamik bestehen, könnten die Schwarzen Löcher in ungefähr 100 Jahren verschmelzen.

Eine solche Kollision würde niederfrequente Gravitationswellen erzeugen, die sich potenziell mit Radioteleskop-Methoden wie dem Pulsar Timing Array (PTA) nachweisen liessen. Mrk 501 könnte damit zu einem zentralen Objekt werden, um beobachtete Signale eines Gravitationswellen-Hintergrunds einer konkreten binären supermassiven Quelle zuzuordnen.

Warum Jets entscheidend sind – trotz Event Horizon Telescope

Dass sich das Doppel-System über die Teilchenjets indirekt erschliessen lässt, ist besonders bedeutsam, weil selbst das Event Horizon Telescope, das 2019 und 2022 erstmals Bilder von Schwarzen Löchern veröffentlichte, nicht über die nötige Auflösung verfügt, um in Mrk 501 zwei getrennte Objekte abzubilden. Der Befund eröffnet eine seltene Chance, die Endphase der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher zu untersuchen und theoretische Modelle zu ihrer Entstehung und Entwicklung zu überprüfen.

„Wenn Gravitationswellen registriert werden, können wir beobachten, wie ihre Frequenz allmählich steigt, während sich die beiden Giganten spiralförmig annähern – eine seltene Gelegenheit, die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher in Echtzeit zu sehen“, sagte der Mitautor der Studie Hector Olivares.