Massive Schwarze Löcher in massearmen Galaxien: Was ist mit der Röntgenkorona passiert?
 

Die Identifizierung massereicher Schwarzer Löcher (MBH) in massearmen Galaxien ist für das Verständnis der Entstehung und des Wachstums Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Zeit von entscheidender Bedeutung, stellt jedoch aufgrund ihrer geringen Akkretionsleuchtkraft eine Herausforderung dar. Astronomen des MPE unter der Leitung von Riccardo Arcodia nutzten die All-Sky-Durchmusterung des eROSITA-Röntgenteleskops, um Kandidaten für massereiche Schwarze Löcher zu untersuchen, die auf der Grundlage unterschiedlicher Helligkeiten in anderen Wellenlängenbereichen ausgewählt wurden. Überraschenderweise waren die Röntgenstrahlen, obwohl sie als akkretierende MBHs identifiziert wurden, schwach und stimmten nicht mit den Vorhersagen der Größenverhältnisse massereicher AGNs überein. Diese Diskrepanz deutet entweder auf das Fehlen einer typischen Röntgenkorona oder die Existenz ungewöhnlicher Akkretionsmodi und spektraler Energieverteilungen in diesen Zwerggalaxien-MBHs hin.

Das Zentrum der Milchstraße beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch - wie im Grunde alle Galaxien von ähnlicher Ausdehnung und größer als unsere Milchstraße. Aber was ist mit kleinen Galaxien? In der Astronomie wird heiß diskutiert, ob alle oder nur einige massearme Galaxien von „massereichen Schwarzen Löchern“ bevölkert sind, die zwischen einigen Tausend und einigen Millionen Sonnenmassen groß sein können. Würden diese gefunden und analysiert, könnten wir auch etwas über die Galaxien im frühen Universum lernen und darüber, wie Schwarze Löcher im Laufe der kosmischen Zeit wachsen, da die lokalen Zwerggalaxien diesen ersten Galaxien sehr ähnlich sind. Bislang wurden im nahen Universum etwa 500 massereiche Schwarze Löcher gefunden, die aktiv und hell genug sein müssen, um die Emission ihrer unmittelbaren Umgebung von der Gesamtemission der Wirtsgalaxie zu unterscheiden. 

Ein Team von Astronomen hat nun die All-Sky-Durchmusterung mit dem eROSITA-Röntgenteleskop genutzt, um Kandidaten für massereiche Schwarze Löcher zu untersuchen, die aufgrund ihrer Schwankungen in anderen Wellenlängenbereichen ausgewählt wurden. „Die Schwankungen bei optischen oder infraroten Wellenlängen deuten darauf hin, dass im galaktischen Kern eine gewisse Aktivität abläuft. Wenn es also ein massereiches Schwarzes Loch gibt, das Material akkretiert, sollte es Röntgenstrahlen aussenden", erklärt Riccardo Arcodia, der die Studie am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) leitete und jetzt am MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research arbeitet. 

Das einzige Auswahlkriterium für die Stichprobe war eine Einschränkung der stellaren Masse, um massearme Galaxien herauszufiltern, was zu etwa 200 Quellen/MBHs führte. Das Team suchte dann in der eROSITA-Gesamtdurchmusterung nach Röntgenstrahlung an den Positionen dieser Galaxien und fand nur 17 Quellen, von denen vier noch nie im Röntgenlicht gesehen worden waren. 

„Die vorhergesagte Röntgenleuchtkraft der meisten dieser Kandidaten sollte deutlich über der Nachweisgrenze der eROSITA-Gesamtdurchmusterung liegen“, betont Andrea Merloni, der Leiter der eROSITA-Untersuchung. „Außerdem zeigt unsere Überlagerungsanalyse der nicht entdeckten Quellen, dass ihre Emission mit den Vorhersagen für die Röntgenemission der Galaxie allein übereinstimmt.“ Während eine mögliche Röntgenschwäche von massereichen Schwarzen Löchern in Zwerggalaxien bereits in einigen wenigen Fällen berichtet wurde, ist dies die erste Bestätigung einer großen Stichprobe von homogenen Röntgenbeobachtungen. 

Dies bedeutet, dass sich die massereichen Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien höchstwahrscheinlich anders verhalten als ihre supermassereichen Gegenstücke. Hochenergetische Röntgenstrahlung wird in der Regel in einer Region mit heißem Plasma in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs, der so genannten Korona, erzeugt. In massearmen Galaxien ist die Anziehungskraft zum Zentrum hin weniger stark und ihr interstellares Medium ist klumpiger als in massereicheren Galaxien, was zu Unterschieden im Magnetfeld oder im Zusammenspiel zwischen der Akkretionsscheibe und der Korona des Schwarzen Lochs führen könnte. „Dies könnte der Grund sein, warum bei diesen massearmen Schwarzen Löchern keine klassische Korona gefunden wurde“, sagt Erstautor Riccardo Arcodia. „Ein anderer Akkretionsmodus in massearmen Galaxien würde auch bedeuten, dass die Auswahltechniken in verschiedenen Wellenbereichen nicht die gleiche Übereinstimmung bieten wie bei höheren Massen“, fügt er hinzu. Zukünftige Multi-Wellenlängen-Studien an großen Stichproben seien notwendig, um zu testen, ob dies der Fall ist oder ob die Röntgenemission allein ungewöhnlich niedrig ist.

„Diese Arbeit dient als Pilotstudie für künftige Synergien zwischen eROSITA und VRO/LSST, die eine 10-jährige optische Durchmusterung des Südhimmels durchführen werden“, erklärt Mara Salvato, eROSITA-Sprecherin und Vorsitzende der eROSITA-Nachfolgearbeitsgruppe. „Wir erwarten, dass wir Hunderte von LSST-Kandidaten für massereiche Schwarze Löcher in den eROSITA-Daten finden und hoffentlich viel mehr darüber erfahren, was mit den weniger massereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Zwerggalaxien passiert.“