Astronomen entdeckten im Zentrum der aktiven Galaxie Markarian 501 (kurz: Mrk 501) ein vermutlich dichtes Doppelsternsystem bestehend aus zwei supermassereichen Schwarzen Löchern. Die entsprechende Forschung wurde vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland geleitet und von den Monthly Notices der Royal Astronomical Society angenommen.
Langfristige hochauflösende Radiobeobachtungen zeigen, dass es im Kern der Galaxie nicht nur einen seit langem bekannten leistungsstarken Teilchenjet gibt (ein Jet bezeichnet einen Strom hochenergetischer Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden), sondern auch einen zweiten verborgenen Jet, der einen direkten Beweis für ein Paar supermassereicher Schwarzer Löcher liefert, die extrem nahe beieinander kreisen.
Aktuelle Forschungen zeigen, dass sich fast jede große Galaxie im Zentrum eines supermassereichen Schwarzen Lochs befindet, dessen Masse millionen- bis milliardenfach größer ist als die der Sonne. Allerdings ist es schwierig, innerhalb des Zeitalters des Universums eine solche „Größe“ zu erreichen, indem man einfach umgebendes Gas ansammelt. Daher gelten Verschmelzungen zwischen Schwarzen Löchern als eine der wichtigen Möglichkeiten zur „Mästung“. Es ist nicht ungewöhnlich, Kollisionen zwischen Galaxien zu beobachten, und es wird auch spekuliert, dass die Schwarzen Löcher in den Zentren dieser Galaxien unter dem Einfluss der Schwerkraft allmählich näher zusammenrücken und schließlich verschmelzen. Allerdings sind theoretische Modelle bei der Beschreibung dieses „Endstadiums“ immer noch unvollkommen, und ein „nahes binäres Schwarzes Loch“-System wurde noch nie zuvor durch Bildgebung zuverlässig bestätigt. Diese Beobachtung von Mrk 501 liefert ein wichtiges Puzzleteil für dieses langjährige astrophysikalische Bild.
Das Forschungsteam führte eine systematische Analyse von Beobachtungsdaten in der Kernregion von Mrk 501 bei verschiedenen Radiofrequenzen über einen Zeitraum von etwa 23 Jahren durch. Die Daten stammten von einem weltweit verteilten Netzwerk von Radioteleskopen und lieferten eine extrem hohe Winkelauflösung. Die Ergebnisse zeigten, dass neben dem bekannten Jet, der auf die Erde zeigte und besonders hell war, auch ein zweiter Jet in den Daten versteckt war. Seine Richtung unterschied sich offensichtlich von der des ersten Jets und er wies innerhalb weniger Wochen erhebliche Positionsänderungen auf. Durch den Vergleich von Daten aus mehreren Epochen „sahen“ Astronomen nicht nur den zweiten Jet, sondern verfolgten auch seine Umlaufbahn, die als Projektionseffekt seiner Umlaufbahn um ein anderes Schwarzes Loch interpretiert wurde.
Beobachtungsaufzeichnungen zeigen, dass der zweite Jet offenbar hinter dem bekannten Schwarzen Loch mit größerer Masse ausgestoßen wird und gegen den Uhrzeigersinn umkreist, was bei kontinuierlichen Beobachtungen periodische Verschiebungsänderungen zeigt, als ob das gesamte Jetsystem „schwanken“ würde. Das Forscherteam erklärte dieses Phänomen mit dem Schwingen der Orbitalebene des binären Schwarzen-Loch-Systems: Die beiden Schwarzen Löcher umkreisen einander, wodurch sich der Winkel zwischen der Richtung des Jets und unserer Sichtlinie ständig ändert. Bei einer Beobachtung im Juni 2022 gelangte die Strahlung des Jet-Systems zufällig auf einem extrem „schiefen“ Weg zur Erde. Unter der Biegewirkung der starken Schwerkraft des bekannten Schwarzen Lochs im Vordergrund wurde das Licht des hinteren Strahls in eine annähernd ringförmige Struktur, den sogenannten „Einstein-Ring“, „gezogen“. Dies liefert starke Unterstützung für die Erklärung, dass „das Schwarze Loch im Vordergrund als Gravitationslinse wirkt und der Hintergrundstrahl vom zweiten Schwarzen Loch kommt.“
Durch die Analyse der Periodizität der Helligkeitsänderungen und der Positionsentwicklung des Jets berechnete das Forschungsteam, dass es etwa 121 Tage dauert, bis die beiden Schwarzen Löcher einander umkreisen. Der Abstand zwischen ihnen beträgt schätzungsweise etwa das 250- bis 540-fache des Abstands zwischen Erde und Sonne – das ist für gewöhnliche Sterne immer noch ein riesiger Maßstab, aber für supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen zwischen 100 Millionen und 1 Milliarde Sonnenmassen ist dieser Abstand bereits recht „geknappt“. Basierend auf dem Massenbereich und den Orbitalparametern könnte dieses binäre Schwarze Lochsystem aufgrund des Verlusts der Orbitalenergie aufgrund der Gravitationsstrahlung in nur etwa 100 Jahren schließlich verschmelzen. Diese Zeitskala gilt als „unmittelbar bevorstehend“ in der Entwicklung des Universums.
Erwähnenswert ist, dass die beiden Schwarzen Löcher zwar selbst extrem groß sind, weil Mrk 501 extrem weit von der Erde entfernt ist, aber selbst das Event Horizon Telescope (EHT), das die Ringstruktur des „Ereignishorizonts“ des Schwarzen Lochs fotografiert hat, derzeit nicht in der Lage ist, sie direkt in zwei unabhängige Himmelskörper aufzulösen. Da der Umlaufradius weiter schrumpft, wird es immer noch schwierig sein, den „endgültigen Rotationskreis“ des binären Schwarzen-Loch-Systems direkt in der Bildgebung zu erkennen, aber Wissenschaftler hoffen, seine letzten Schritte durch ein anderes „Signal“ zu erfassen – Gravitationswellenstrahlung im extrem niedrigen Frequenzband. Es wird erwartet, dass diese Signale durch die Beobachtungsmethode „Pulsar Timing Array“ (PTA) erfasst werden, die den großräumigen Gravitationswellenhintergrund des Universums „hört“, indem sie die periodischen Mikrostörungen von Millisekundenpulsaren präzise überwacht.
Tatsächlich sind supermassereiche Doppelsterne von Schwarzen Löchern bereits eine der wichtigsten Kandidatenquellen für die Erklärung des Signals „Gravitationswellenhintergrund“, das von Teams wie dem European Pulsar Timing Array im Jahr 2023 gemeldet wurde. Mrk 501 hat sich mittlerweile zu einem sehr wertvollen „Ziellabor“ entwickelt, von dem erwartet wird, dass es bestimmte von PTA gemessene niederfrequente Gravitationswellensignale direkt mit bestimmten binären Schwarzen-Loch-Systemen korrespondiert, was dem bisherigen statistischen „Hintergrund“ eine klare Identität von Himmelskörpern verleiht. Forschungsmitarbeiter wiesen darauf hin, dass, wenn es in Zukunft gelingt, Gravitationswellen in Richtung dieser Quelle einzufangen, nicht nur zu erwarten ist, dass ihre Frequenz im Laufe der Zeit allmählich zunimmt, was dem Prozess der spiralförmigen Annäherung Schwarzer Löcher entspricht, sondern dass sie möglicherweise auch zum ersten Mal in der Lage sein werden, nahezu „Echtzeitverfolgung“-Evolutionsaufzeichnungen in der Größenordnung von „Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher“ zu erhalten.
In dieser Studie sind Silke Britzen, Frédéric Jaron und Nicholas Roy McDonald vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie als Co-Autoren verpflichtet und die entsprechenden Ergebnisse werden in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht. Dieses Paar supermassiver Schwarzloch-Doppelsterne im Zentrum von Mrk 501 liefert nicht nur ein Schlüsselbeispiel für das Verständnis, wie das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße wächst, sondern eröffnet auch einen seltenen „Schussplatz“ für die zukünftige Gravitationswellenastronomie auf der Grundlage des Pulsar-Timings, der es den Menschen ermöglicht, in den nächsten Jahrzehnten bis Hunderten von Jahren mit eigenen Augen Zeuge einer „Verschmelzung Schwarzer Löcher“ im kosmischen Maßstab zu werden.