Nachweis eines supermassereichen Schwarzen Lochs mit einer Masse von 30 Milliarden Sonnentermen durch das Phänomen der Lichtkrümmung

Astronomen unter der Leitung der Durham University haben mithilfe von Gravitationslinsen und Supercomputersimulationen in der DiRAC HPC-Anlage eines der größten jemals entdeckten Schwarzen Löcher mit einer Masse von mehr als 30 Milliarden Sonnenmassen entdeckt. Diese bahnbrechende Technologie, die Licht simuliert, das durch das Universum wandert, hat es Forschern ermöglicht, den Weg des Lichts genau vorherzusagen, wie er in echten Bildern des Hubble-Weltraumteleskops zu sehen ist. Die Entdeckung wurde in veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Ein Team von Astronomen hat eines der größten jemals entdeckten Schwarzen Löcher entdeckt, indem es sich ein Phänomen namens Gravitationslinseneffekt zunutze gemacht hat.

Krummlinige Schwerkraft des Lichts

Das Team unter der Leitung der Durham University im Vereinigten Königreich verwendete Gravitationslinsen – bei denen eine Vordergrundgalaxie Licht von einem entfernten Objekt beugt und vergrößert – und Supercomputersimulationen in der DiRAC HPC-Anlage ermöglichten es dem Team, genau zu untersuchen, wie Licht von einem Schwarzen Loch gebeugt wird in einer Galaxie, Hunderte von Kilometern entfernt, Millionen von Lichtjahren von der Erde entfernt.

Das Team simulierte Hunderttausende von Lichtreisen durch das Universum, wobei jede Simulation eine andere Masse beinhaltete[{“ attribute=““>black hole, changing light’s journey to Earth.

An artist’s impression of a black hole, where the black hole’s intense gravitational field distorts the space around it. This warps images of background light, lined up almost directly behind it, into distinct circular rings. This gravitational “lensing” effect offers an observation method to infer the presence of black holes and measure their mass, based on how significant the light bending is. The Hubble Space Telescope targets distant galaxies whose light passes very close to the centers of intervening fore-ground galaxies, which are expected to host supermassive black holes over a billion times the mass of the sun. Credit: ESA/Hubble, Digitized Sky Survey, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann

30 billion times the mass of our Sun

When the researchers included an ultramassive black hole in one of their simulations, the path taken by the light from the faraway galaxy to reach Earth matched the path seen in real images captured by the Hubble Space Telescope.

What the team had found was an ultramassive black hole, an object over 30 billion times the mass of our Sun, in the foreground galaxy – a scale rarely seen by astronomers.

This is the first black hole found using gravitational lensing and the findings were published today (March 29) in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Ein Video, das zeigt, wie Astronomen mithilfe von Gravitationslinsen ein schwarzes Loch mit der 30-Milliarden-fachen Masse der Sonne in einer 2 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckten. Bildnachweis: Universität Durham

Rückblick in die kosmische Zeit

Die meisten der größten Schwarzen Löcher, die wir kennen, befinden sich in einem aktiven Zustand, da Materie, die in die Nähe des Schwarzen Lochs gezogen wird, sich erwärmt und Energie in Form von Licht, Röntgenstrahlen und anderer Strahlung freisetzt.

Gravitationslinsen machen es möglich, inaktive Schwarze Löcher zu untersuchen, was derzeit in fernen Galaxien nicht möglich ist. Dieser Ansatz könnte es Astronomen ermöglichen, inaktive Schwarze Löcher zu entdecken, die massereicher sind als bisher angenommen, und zu untersuchen, wie sie so massereich werden.

Die Geschichte genau dieser Entdeckung begann im Jahr 2004, als Professor Alastair Edge, ein Astronom von der Durham University, bei der Überprüfung von SGS-Bildern einen riesigen Bogen einer Gravitationslinse bemerkte.

Fast forward 19 Jahre und mit Hilfe von einigen sehr hochauflösenden Fotos aus[{“ attribute=““>NASA’s Hubble telescope and the DiRAC COSMA8 supercomputer facilities at Durham University, Dr. Nightingale and his team were able to revisit this and explore it further.

Exploring the mysteries of black holes

The team hopes that this is the first step in enabling a deeper exploration of the mysteries of black holes, and that future large-scale telescopes will help astronomers study even more distant black holes to learn more about their size and scale.

Reference: “Abell 1201: detection of an ultramassive black hole in a strong gravitational lens” by J W Nightingale, Russell J Smith, Qiuhan He, Conor M O’Riordan, Jacob A Kegerreis, Aristeidis Amvrosiadis, Alastair C Edge, Amy Etherington, Richard G Hayes, Ash Kelly, John R Lucey and Richard J Massey, 29 March 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad587

The research was supported by the UK Space Agency, the Royal Society, the Science and Technology Facilities Council (STFC), part of UK Research and Innovation (UKRI), and the European Research Council.

This work used both the DiRAC Data Intensive Service (CSD3) and the DiRAC Memory Intensive Service (COSMA8), hosted by University of Cambridge and Durham University on behalf of the DiRAC High-Performance Computing facility.