Supermassereiche schwarze Löcher sitzen im Zentrum fast aller großen Galaxien und bringen die kosmische Waage mit Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen zum Ausschlag. Wie sie so groß werden, bleibt ein hartnäckiges Rätsel: Gas aus ihrer Umgebung anzusammeln ist ein Weg, aber offenbar zu langsam, um die größten Exemplare zu erklären. Die Verschmelzung mit anderen massereichen schwarzen Löchern ist der führende Kandidat für die fehlende Erklärung.

Galaxienkollisionen sind im Universum allgegenwärtig, also sollten ihre zentralen schwarzen Löcher irgendwann ebenfalls zusammenkommen. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, wird erwartet, dass sich ihre schwarzen Löcher annähern, beginnen, einander zu umkreisen, und allmählich nach innen spiralförmig zusammenrücken, bis sie sich vereinigen. Die Modellierung dieser Endphasen bleibt jedoch ein Kopfzerbrechen, und Astronomen haben noch nie zuverlässig ein Paar supermassereicher schwarzer Löcher identifiziert, die einander extrem nahe umkreisen – trotz reichlicher Beweise für kollidierende Galaxien.

Nun hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn direkte Beobachtungsbeweise für genau ein solches Paar im Zentrum der Galaxie Mrk 501 gefunden. Die Ergebnisse wurden zur Veröffentlichung in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society angenommen und sind für eine der nächsten Ausgaben geplant.

Astronomen wissen seit langem, dass das zentrale schwarze Loch von Mrk 501 einen intensiven Teilchenstrahl mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All schleudert, angetrieben von den extremen Bedingungen und starken Magnetfeldern in der Umgebung des schwarzen Lochs. Um das System zu untersuchen, analysierten die Forscher detaillierte Radiobeobachtungen bei mehreren Frequenzen, die an Dutzenden separaten Tagen über etwa 23 Jahre gesammelt wurden. Der umfangreiche Datensatz offenbarte etwas Bemerkenswertes: Neben dem bekannten Jet gab es einen zweiten Jet, dessen Bewegung ebenfalls verfolgt werden konnte.

Die Beobachtungen liefern nach Angaben der Forscher den ersten direkten Bildnachweis für ein solches System im Zentrum einer Galaxie und legen stark nahe, dass ein zweites supermassereiches schwarzes Loch vorhanden ist. Die beiden schwarzen Löcher selbst sind am Himmel zu nahe beieinander, um einzeln aufgelöst zu werden.

„Wir haben so lange danach gesucht, und dann kam es völlig überraschend, dass wir nicht nur einen zweiten Jet sehen, sondern sogar seine Bewegung verfolgen konnten“, berichtet Britzen.

Zwei supermassereiche schwarze Löcher in einem kosmischen Tanz

Der zuvor bekannte Jet ist auf die Erde gerichtet, wodurch er außergewöhnlich hell erscheint und relativ leicht zu beobachten ist. Der neu identifizierte Jet zeigt in eine andere Richtung, was erklärt, warum er so lange verborgen blieb.

Über nur wenige Wochen der Beobachtung bemerkten Astronomen dramatische Veränderungen in der Position des zweiten Jets. Er schien hinter dem größeren schwarzen Loch hervorzukommen und es gegen den Uhrzeigersinn zu umrunden. Die Bewegung wiederholte sich, was darauf hindeutet, dass das gesamte System eine regelmäßige Orbitalbewegung durchläuft.

„Die Auswertung der Daten fühlte sich an, als wäre man auf einem Schiff. Das gesamte Jetsystem ist in Bewegung. Ein System aus zwei schwarzen Löchern kann das erklären: Die Orbitalebene schwankt“, erklärt Britzen.

Die Forscher identifizierten zudem ein ungewöhnliches Ereignis im Juni 2022, als die Strahlung des Systems einen Ring zu bilden schien. Dieses als Einstein-Ring bekannte Phänomen tritt auf, wenn die Gravitation das Licht so krümmt, dass ein ringförmiges Erscheinungsbild entsteht. Eine mögliche Erklärung: Die beiden schwarzen Löcher und die Erde waren kurzzeitig genau richtig ausgerichtet, wobei die Gravitation des vorderen schwarzen Lochs wie eine Linse wirkte und das Licht des dahinterliegenden zweiten Jets krümmte. Dieser als Gravitationslinseneffekt bezeichnete Effekt bietet einen weiteren möglichen Hinweis auf die Natur des Systems.

Zwei schwarze Löcher könnten in nur 100 Jahren verschmelzen

Durch die Untersuchung von Veränderungen in den Jets und sich wiederholenden Mustern in ihrer Helligkeit berechnete das Team, dass die beiden schwarzen Löcher einander etwa alle 121 Tage umkreisen. Ihr geschätzter Abstand beträgt nur das 250- bis 540-fache der Entfernung zwischen Erde und Sonne – was enorm klingt, bis man bedenkt, dass diese Objekte Massen von 100 Mill