Quelle: Universität Wien 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Extrem schnell bewegte Sterne im Sternhaufen Omega Centauri, die eine neue Untersuchung ausfindig gemacht hat, zeigen: Im Zentrum des Sternhaufens befindet sich ein Schwarzes Loch mit mindestens 8.200 Sonnenmassen – damit ist dieses massereiche schwarze Loch das uns am nächsten liegende. Mit dieser Entdeckung konnten Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Astronomie unter Beteiligung der Universität Wien erstmals die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse nachweisen. Der Fund bestätigt außerdem, dass Omega Centauri die Kernregion einer Galaxie ist, die vor Milliarden von Jahren von der Milchstraße verschluckt wurde. Ohne seine äußeren Sterne hat sich der Galaxienkern seither so gut wie nicht weiterentwickelt. Die Studie wurde aktuell im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Omega Centauri ist eine spektakuläre Ansammlung von etwa zehn Millionen Sternen, die in südlichen Breitengraden als Fleck am Nachthimmel sichtbar ist. Durch ein kleines Teleskop sieht er nicht anders aus als andere so genannte Kugelsternhaufen. Die neue Studie bestätigt nun, was Astronom*innen schon seit längerem vermutet hatten: Omega Centauri enthält ein zentrales Schwarzes Loch. Mit einer Entfernung von etwa 18.000 Lichtjahren ist dies das nächstgelegene bekannte Beispiel für ein massereiches Schwarzes Loch. Im Vergleich dazu: Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße befindet sich rund 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Aber nicht nur die Nähe zur Erde macht diesen Fund besonders. Die Astronomie kennt für Schwarze Löcher unterschiedliche Massebereiche. Stellare Schwarze Löcher mit einer bis zu einigen Dutzend Sonnenmassen sind kleinere schwarze Löcher und vergleichsweise gut erforscht, ebenso wie supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen. Umfassende Beweise und Forschung zu mittelgroßen schwarzen Löchern fehlten – bis jetzt. Mit mindestens 8.200 Sonnenmassen ist das Schwarze Loch in Omega Centauri der erste Nachweis eines solchen mittelgroßen Schwarzen Lochs.

Momentaufnahme der Galaxien-Evolution
„Omega Centauri ist etwas ganz Besonderes. Als Kern einer ehemals selbstständigen Galaxie, die dann mit der Milchstraße verschmolz und dabei alle Sterne außer jenen der Kernregion verlor, ist Omega Centauri eine Art Momentaufnahme aus der Galaxienevolution“, erklärt Glenn van de Ven, einer der Autor*innen der neuen Studie und Leiter des Instituts für Astrophysik an der Universität Wien. Es gibt keine weiteren Verschmelzungen und keine Möglichkeit für das zentrale Schwarze Loch, zu wachsen. Das Schwarze Loch bleibt in der Größe erhalten, die es hatte, als Omega Centauri von der Milchstraße verschluckt wurde. „Wir wissen nicht genau wie supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, aber es ist möglich, dass sie aus mittelgroßen Schwarzen Löchern gewachsen sind. Wir haben nun den ersten Beweis gefunden, dass es solche mittelgroße Schwarze Löcher tatsächlich gibt“, ergänzt Anja Feldmeier-Krause von der Universität Wien und ebenfalls eine der Autor*innen.

Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen zum Nachweis bestimmt
Der nun gelungene Nachweis stellte die Astronom*innen vor eine zeitaufwändige Herausforderung. Federführend war Maximilian Häberle, ein Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie und Leiter der Studie. Er bestimmte anhand von über 500 Archivbildern des Weltraumteleskops Hubble die Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen. „Die Suche nach schnellen Sternen und die Dokumentation ihrer Bewegung war die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, so Häberle. Doch am Ende hatte Häberle nicht nur den bisher vollständigsten Katalog der Bewegung von Sternen in Omega Centauri (veröffentlicht in einem separaten Artikel). Er konnte zudem sieben auffällige, sich schnell bewegende Sterne in einer kleinen Region im Zentrum von Omega Centauri ausmachen.

Anhand dieser sieben Sterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen konnten Häberle und seine Kolleg*innen die unterschiedlichen Effekte trennen und feststellen, dass sich im Zentrum von Omega Centauri eine Masse mit mindestens 8.200 Sonnenmassen befindet. Diese detaillierte Untersuchung verschaffte den Forscher*innen auch statistische Sicherheit: Die Beobachtung von sieben solcher Sterne kann kein Zufall sein und lässt keinen Raum für andere Erklärungen als ein Schwarzes Loch.

Beobachtungszeit mit dem Weltraumteleskop JWST soll in weiterer Folge noch mehr Details bringen, die Wissenschafter*innen wollen etwa die Bewegung der schnellen Sterne auf die Erde zu oder von ihr weg messen (Radialgeschwindigkeiten). Auch mit derzeit im Bau befindlichen neuen Instrumenten (GRAVITY+ am VLT der ESO, MICADO am Extremely Large Telescope) wird es möglich sein, Sternpositionen noch deutlich genauer zu bestimmen als mit Hubble.

Originalpublikation:
M. Häberle et al. „Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri“. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-024-07511-z
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z.pdf

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• Schwarze Löcher

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Quelle: AIP 10. Oktober 2023.

10. Oktober 2023 – Die dritte Datenveröffentlichung von Gaia enthält Daten zu über 1,8 Milliarden Sternen, die ein umfassendes Bild der Milchstraße und darüber hinaus ergeben. Allerdings gab es in der Kartierung unserer Galaxie noch Lücken. Vor allem in Bereichen des Himmels, die besonders dicht mit Sternen bevölkert sind, erreichte Gaias normaler Beobachtungsmodus seine Grenzen, so dass diese Regionen vergleichsweise unerforscht blieben – und man übersah Sterne, die weniger hell leuchteten als ihre vielen Nachbarn.

Ein wichtiges Beispiel hierfür sind Kugelsternhaufen. Sie gehören zu den ältesten Objekten des Universums, was sie für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich mit unserer kosmischen Vergangenheit befassen, besonders wertvoll macht. Leider sind ihre hellen Kerne voller Sterne eine große Herausforderung für Teleskope und es ist schwierig, einen klaren Blick zu erhaschen. Daher sind sie fehlende Puzzlestücke in unseren Karten des Universums.

Um diese Lücken zu schließen, hat Gaia Omega Centauri ausgewählt, den größten Kugelsternhaufen, der von der Erde aus zu sehen ist, und ein gutes Beispiel für einen „typischen“ Haufen. Statt einzelne Sterne zu beobachten, wie es normalerweise der Fall wäre, aktivierte Gaia einen speziellen Beobachtungsmodus und zeichnete zweidimensionale Bilder mit dem Sky Mapper Instrument auf.

„In Omega Centauri entdeckten wir mehr als eine halbe Million neuer Sterne, die Gaia zuvor nicht gesehen hatte – und das in nur einem Sternhaufen“, sagt Dr. Katja Weingrill, Projektleiterin für Gaia am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).

„Es geht nicht nur darum, Löcher in unserer Kartierung zu flicken, obwohl dies an sich schon wertvoll ist“, fügt Dr. Alexey Mints, Mitglied der Gaia-Kollaboration und ebenfalls vom AIP, hinzu. „Unsere Daten haben es uns ermöglicht, Sterne zu entdecken, die zu nahe beieinander liegen, um sie mit der regulären Gaia Pipeline richtig zu vermessen. Mit den neuen Daten können wir die Struktur des Haufens, die Verteilung der einzelnen Sterne, ihre Bewegung und vieles mehr untersuchen und so eine vollständige, großräumige Karte von Omega Centauri erstellen. Das bedeutet volle Nutzung des Potenzials von Gaia – wir haben dieses erstaunliche kosmische Werkzeug mit maximaler Leistung eingesetzt.“

Dieses Ergebnis entspricht nicht nur den geplanten Zielen von Gaia, sondern übertrifft diese sogar. „Wir haben nicht damit gerechnet, diese Bilder jemals für wissenschaftliche Zwecke einzusetzen, was das Ergebnis noch spannender macht“, fügt Katja Weingrill hinzu.

Gaia erforscht derzeit acht weitere Regionen auf diese Weise; die Ergebnisse werden in der vierten Gaia-Datenveröffentlichung enthalten sein. Die Daten werden Astronominnen und Astronomen helfen, zu verstehen, was in den kosmischen Bausteinen vor sich geht. Es ist ein entscheidender Schritt für Forschende, um das Alter unserer Galaxie zu bestätigen, ihr Zentrum zu lokalisieren oder um herauszufinden, ob die Milchstraße in der Vergangenheit Kollisionen erlebt hat oder wie sich Sterne im Laufe ihrer Lebenszeit verändern, unsere Modelle der galaktischen Entwicklung einschränken und wie man schließlich auf das potentielle Alter des Universums selbst schließen kann.

In der neuen Veröffentlichung identifiziert Gaia außerdem über 380 mögliche Gravitationslinsen, verbessert die Genauigkeit der Umlaufbahnen von mehr als 150.000 Asteroiden innerhalb des Sonnensystems, kartiert die Scheibe der Milchstraße durch das Aufspüren schwacher Signale im Sternenlicht und charakterisiert die Dynamik von 10.000 veränderlichen roten Riesensternen.

Die Daten sind ab heute frei zugänglich und können direkt vom AIP Gaia-Archiv http://gaia.aip.de/ heruntergeladen werden, da das AIP ein offizielles Gaia-Partner-Datenzentrum ist.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
Gaia Focused Product Release: Sources from Service Interface Function image analysis – half a million new sources in omega CentauriGaia Collaboration, K. Weingrill , et al. Astronomy & Astrophysics
DOI: doi.org/10.1051/0004-6361/202347203
https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202347203
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/12/aa47203-23.pdf

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