So groß, dass selbst Zahlen kaum noch eine Vorstellung davon vermitteln: Im Zentrum des fernen Quasars TON 618 befindet sich eines der massereichsten bekannten Schwarzen Löcher. Häufig wird seine Masse mit rund 66 Milliarden Sonnenmassen angegeben. Damit wäre es mehr als 16.000-mal so massereich wie Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Selbst unter den supermassereichen Schwarzen Löchern gehört TON 618 damit zu einer extremen Klasse.

Doch gerade bei einem Objekt dieser Entfernung ist Vorsicht angebracht. TON 618 wurde nicht wie das Schwarze Loch M87* mit dem Event Horizon Telescope abgebildet. Seine Masse wird indirekt aus dem Licht des Quasars und aus der Bewegung von Gas in dessen Umgebung bestimmt. Je nach verwendeter Methode und Kalibrierung unterscheiden sich die Angaben. In der wissenschaftlichen Literatur finden sich deshalb auch niedrigere Werte um etwa 40 Milliarden Sonnenmassen. TON 618 ist zweifellos außergewöhnlich groß – eine scheinbar auf die letzte Milliarde Sonnenmassen genaue Zahl würde jedoch eine Sicherheit vortäuschen, die die Beobachtungen nicht besitzen.

Was ist TON 618?

TON 618 ist streng genommen nicht einfach die Bezeichnung eines Schwarzen Lochs, sondern eines Quasars. Ein Quasar entsteht im Zentrum einer Galaxie, wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch große Mengen Materie aufnimmt. Gas nähert sich dabei dem Schwarzen Loch, wird beschleunigt und stark erhitzt. Noch bevor es den Ereignishorizont erreicht, kann es enorme Mengen elektromagnetischer Strahlung freisetzen.

Das Schwarze Loch selbst bleibt dunkel. Sichtbar ist seine aktive Umgebung.

Bei TON 618 ist diese Umgebung außergewöhnlich leuchtkräftig. Der Quasar befindet sich bei einer Rotverschiebung von etwa 2,2. Das Licht, das wir heute von ihm empfangen, war mehr als zehn Milliarden Jahre unterwegs. Wir sehen TON 618 deshalb nicht so, wie das System heute aussehen würde, sondern so, wie es zu einer wesentlich früheren Epoche des Universums aussah.

Damit ist TON 618 zugleich ein Blick weit zurück in die kosmische Geschichte. Das riesige Schwarze Loch hatte seine außergewöhnliche Masse bereits erreicht, als das Universum erst wenige Milliarden Jahre alt war. Genau das macht solche Objekte für die Forschung besonders interessant: Sie stellen die Frage, wie Schwarze Löcher in kosmologisch relativ kurzer Zeit derart stark wachsen konnten.

Wie wurde TON 618 entdeckt?

Die Geschichte von TON 618 begann, bevor überhaupt klar war, was Quasare sind. Das Objekt tauchte in einer Suche nach ungewöhnlich blauen Sternen auf, die in den 1950er-Jahren am Tonantzintla-Observatorium in Mexiko durchgeführt wurde. Daher stammt auch die Bezeichnung „TON“.

Damals konnte TON 618 durchaus wie ein weit entfernter bläulicher Stern erscheinen. Quasare sind von der Erde aus punktförmig und wurden erst in den 1960er-Jahren als extrem weit entfernte und leuchtkräftige Objekte erkannt. Spätere Radiobeobachtungen zeigten, dass TON 618 eine Radioquelle ist. Spektrale Untersuchungen lieferten schließlich die entscheidenden Hinweise: Die charakteristischen Emissionslinien waren stark ins Rote verschoben. Damit wurde klar, dass es sich nicht um einen Stern unserer Umgebung handeln konnte, sondern um einen enorm weit entfernten Quasar.

Die enorme Entfernung bedeutete zugleich, dass TON 618 eine unglaubliche intrinsische Leuchtkraft besitzen musste, um von der Erde aus überhaupt so deutlich beobachtbar zu sein.

Wie schwer ist das Schwarze Loch von TON 618?

Eine oft genannte Abschätzung kommt auf etwa 66 Milliarden Sonnenmassen. Dieser Wert geht auf sogenannte viriale Massenbestimmungen zurück, bei denen Astronomen die Geschwindigkeit von Gas in der Umgebung des Schwarzen Lochs mit der Leuchtkraft des aktiven Galaxienkerns kombinieren. Bei TON 618 wurden dafür insbesondere Eigenschaften der breiten H-Beta-Emissionslinie untersucht.

Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Bestimmung einer unsichtbaren Masse über die Bewegung von Objekten in ihrem Gravitationsfeld. Je schneller Gas in einer bestimmten Entfernung um ein Zentrum bewegt wird, desto größer muss die Masse sein, die diese Bewegung verursacht.

Bei sehr weit entfernten Quasaren ist eine solche Bestimmung allerdings komplizierter als beispielsweise beim Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Sagittarius A* lässt sich anhand der Umlaufbahnen einzelner Sterne sehr präzise vermessen. Bei TON 618 können keine einzelnen Sterne direkt auf ihren Bahnen um das Schwarze Loch verfolgt werden. Die Massenbestimmung beruht daher auf Modellen der sogenannten Broad Line Region, jener Region schnell bewegten Gases, die charakteristische verbreiterte Spektrallinien erzeugt.

Deshalb sollte die Angabe von 66 Milliarden Sonnenmassen als Schätzung verstanden werden und nicht als direkt gewogenes Ergebnis. Andere Auswertungen führen zu Werten von ungefähr 40 Milliarden Sonnenmassen. Unabhängig davon bleibt TON 618 in einer Größenordnung, die nur von sehr wenigen bekannten Schwarzen Löchern erreicht wird.

Ist TON 618 das größte Schwarze Loch im Universum?

Die Formulierung „das größte Schwarze Loch im Universum“ ist nicht wissenschaftlich haltbar. Wir kennen nur einen Teil der Schwarzen Löcher im beobachtbaren Universum, und bei extrem massereichen Exemplaren sind die Messunsicherheiten teilweise erheblich.

TON 618 wird dennoch regelmäßig unter den massereichsten bekannten Schwarzen Löchern geführt. Die NASA nennt für das Objekt derzeit etwa 66 Milliarden Sonnenmassen und bezeichnet es als das massereichste beobachtete Schwarze Loch. In der Fachliteratur werden aber unterschiedliche Massenwerte verwendet, und andere ultramassereiche Schwarze Löcher erreichen ebenfalls mehrere zehn Milliarden Sonnenmassen.

Hinzu kommt ein grundlegendes Problem beim Vergleich: Nicht alle Massen werden auf dieselbe Weise bestimmt. Bei relativ nahen Galaxien kann die Bewegung von Sternen oder Gas untersucht werden. Bei sehr weit entfernten Quasaren beruhen die Werte häufig auf indirekten Verfahren. Ein einfaches Ranking mit vermeintlich exakten Platzierungen würde diese Unterschiede unterschlagen.

Die sachlich treffendere Aussage lautet daher: TON 618 gehört zu den massereichsten Schwarzen Löchern, die bislang bekannt sind.

Wie groß wäre TON 618 im Vergleich zum Sonnensystem?

Bei einem Schwarzen Loch wächst der Ereignishorizont mit seiner Masse. Würde man für TON 618 eine Masse von rund 66 Milliarden Sonnenmassen zugrunde legen und ein nicht rotierendes Schwarzes Loch als vereinfachtes Modell verwenden, ergäbe sich ein Schwarzschild-Radius von ungefähr 195 Milliarden Kilometern. Der Durchmesser des Ereignishorizonts läge damit bei etwa 390 Milliarden Kilometern.

Das entspricht grob 2.600 Astronomischen Einheiten. Eine Astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Der Ereignishorizont eines solchen Schwarzen Lochs würde damit weit über die Bahnen der großen Planeten hinausreichen und sogar die Region des Sonnensystems übertreffen, in der sich Pluto bewegt. Selbst Licht bräuchte viele Tage, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser eines solchen Ereignishorizonts entspricht.

Dieser Vergleich ist allerdings nur eine Veranschaulichung. TON 618 befindet sich natürlich nicht in unserer kosmischen Nachbarschaft, und seine tatsächlichen Eigenschaften hängen unter anderem auch von der Rotation des Schwarzen Lochs ab.

Warum leuchtet TON 618, wenn Schwarze Löcher kein Licht aussenden?

Das scheinbare Paradox löst sich auf, wenn zwischen dem Schwarzen Loch und seiner Umgebung unterschieden wird. Der Ereignishorizont selbst sendet kein Licht aus, das uns erreichen könnte. Ein aktives Schwarzes Loch kann dennoch zu den hellsten Erscheinungen des Universums gehören.

Der Grund ist die einfallende Materie.

Gas, das sich einem supermassereichen Schwarzen Loch nähert, fällt normalerweise nicht geradlinig hinein. Es besitzt Drehimpuls und sammelt sich in einer Umgebung, in der gewaltige Geschwindigkeiten, Reibungsprozesse und Magnetfelder auftreten. Die Materie wird dabei extrem heiß und kann enorme Energiemengen abstrahlen. Bei einem Quasar kann diese relativ kleine zentrale Region heller erscheinen als die gesamte umgebende Galaxie.

TON 618 gehört zu den außergewöhnlich leuchtkräftigen Quasaren. Seine Helligkeit ist zugleich eines der wichtigsten Werkzeuge, mit denen Astronomen auf die Eigenschaften des zentralen Schwarzen Lochs schließen können.

Warum konnte TON 618 noch nicht fotografiert werden wie M87*?

Das berühmte Bild von M87* kann leicht den Eindruck vermitteln, man müsse lediglich ein ausreichend starkes Teleskop auf TON 618 richten, um auch dort einen Schatten des Schwarzen Lochs sichtbar zu machen. Die tatsächlichen Anforderungen sind wesentlich schwieriger.

M87* ist ungefähr 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. TON 618 sehen wir dagegen aus einer Entfernung, bei der sein Licht mehr als zehn Milliarden Jahre zu uns unterwegs ist. Zwar besitzt TON 618 wahrscheinlich einen erheblich größeren Ereignishorizont als M87*, doch seine extreme Entfernung lässt diese Struktur am Himmel winzig erscheinen.

Das Event Horizon Telescope erreicht seine außergewöhnliche Auflösung, indem Radioteleskope über die Erde verteilt zusammengeschaltet werden. Selbst damit können nur Schwarze Löcher abgebildet werden, deren scheinbare Größe am Himmel ausreichend groß ist. TON 618 gehört nicht zu den Objekten, bei denen bisher ein vergleichbares Bild seines Ereignishorizontbereichs erstellt werden konnte.

Was wir von TON 618 kennen, stammt deshalb vor allem aus seinem Spektrum und seiner Strahlung – nicht aus einem Bild seines Schattens.

Wie konnte TON 618 so groß werden?

Hier berührt TON 618 eine der großen Fragen moderner Astronomie. Schwarze Löcher können durch das Einfallen von Materie wachsen. Sie können außerdem miteinander verschmelzen. Beides benötigt jedoch Zeit.

TON 618 wird bei einer Rotverschiebung von ungefähr 2,2 beobachtet. Sein Licht zeigt das Objekt somit zu einer Zeit, als das Universum wesentlich jünger war als heute. Trotzdem hatte das zentrale Schwarze Loch bereits mehrere zehn Milliarden Sonnenmassen erreicht. Modelle der Entstehung und des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher müssen erklären können, wie solche extremen Massen innerhalb der verfügbaren kosmischen Zeit entstehen.

Eine Möglichkeit ist, dass die Vorläufer dieser Schwarzen Löcher bereits mit vergleichsweise großen Ausgangsmassen entstanden. Eine andere besteht in langen Phasen besonders effizienter Materieaufnahme. Auch Verschmelzungen von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern können zum Wachstum beitragen. Wahrscheinlich lässt sich die Entwicklung der größten Schwarzen Löcher nicht auf einen einzigen Mechanismus reduzieren.

Gerade die frühesten bekannten Quasare haben dieses Problem noch verschärft. Astronomen finden inzwischen Schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen in einer Epoche, in der das Universum erst einige Hundert Millionen Jahre alt war. Solche Entdeckungen zwingen die Forschung dazu, die möglichen Wachstumswege immer genauer zu untersuchen.

Kann ein Schwarzes Loch unbegrenzt wachsen?

Eine einfache absolute Obergrenze für Schwarze Löcher ist bislang nicht bekannt. In der Praxis begrenzen jedoch die Umgebung und die Art der Materiezufuhr das Wachstum.

Nimmt ein Schwarzes Loch große Mengen Gas auf, erzeugt die heiße Materie in seiner Umgebung intensive Strahlung. Diese Strahlung übt wiederum Druck auf nachströmendes Gas aus und kann den weiteren Zufluss behindern. Der sogenannte Eddington-Grenzwert beschreibt vereinfacht ein Gleichgewicht zwischen der nach innen gerichteten Gravitation und dem nach außen wirkenden Strahlungsdruck.

Die Realität ist komplexer. Geometrie, Magnetfelder, zeitweise besonders hohe Akkretionsraten und Verschmelzungen können dazu führen, dass Schwarze Löcher unterschiedliche Wachstumsgeschichten besitzen. Theoretische Arbeiten beschäftigen sich deshalb auch mit der Frage, ob es unter realistischen astrophysikalischen Bedingungen eine bevorzugte obere Massenskala gibt. Werte von mehreren zehn Milliarden Sonnenmassen liegen bereits in einem Bereich, in dem diese Frage besonders interessant wird.

TON 618 befindet sich genau in diesem Grenzbereich.

Befindet sich TON 618 in einer Galaxie?

Quasare sind aktive Kerne von Galaxien. Auch TON 618 gehört deshalb zu einem galaktischen System. Die Beobachtung der eigentlichen Wirtsgalaxie ist jedoch schwierig, weil der Quasar selbst extrem hell ist und seine Umgebung überstrahlt.

Das System ist außerdem von einer ausgedehnten Wolke aus Gas umgeben. TON 618 wird mit einer großen Lyman-Alpha-Nebelstruktur in Verbindung gebracht. Solche Gasreservoirs sind für die Forschung besonders interessant, weil sie Hinweise auf das Zusammenspiel zwischen Quasar, Wirtsgalaxie und dem Gas in ihrer Umgebung liefern können.

Bei aktiven Galaxien geht es deshalb längst nicht mehr nur um das Schwarze Loch. Die zentrale Frage ist, wie Schwarzes Loch und Galaxie gemeinsam wachsen und sich gegenseitig beeinflussen. Ein extrem aktiver Galaxienkern kann Gas erhitzen oder aus der Galaxie herausbefördern und dadurch langfristig sogar beeinflussen, wie viele neue Sterne entstehen.

Ist TON 618 gefährlich für uns?

Nein. TON 618 ist so weit entfernt, dass von seinem Schwarzen Loch keine Gefahr für die Erde ausgeht. Die Gravitation eines Schwarzen Lochs wirkt nicht über beliebige Entfernungen plötzlich stärker als die anderer Massen. Seine gewaltige Masse ist nur in seiner kosmischen Umgebung von unmittelbarer Bedeutung.

Auch die enorme Strahlungsleistung des Quasars stellt für die Erde keine Bedrohung dar. Das Licht hat auf seinem Weg zu uns mehr als zehn Milliarden Jahre zurückgelegt.

TON 618 ist daher kein kosmisches Monster, das sich durch das Universum bewegt und alles auf seinem Weg verschlingt. Es ist vielmehr der aktive Kern eines extrem weit entfernten Systems, dessen Beobachtung uns zeigt, welche Größenordnungen Schwarze Löcher erreichen können.

Was wissen wir über TON 618 noch nicht?

Gesichert ist, dass TON 618 ein äußerst leuchtkräftiger Quasar mit einem außergewöhnlich massereichen zentralen Schwarzen Loch ist. Seine Rotverschiebung und seine spektralen Eigenschaften sind gut gemessen. Ebenso klar ist, dass die Masse des Schwarzen Lochs viele Milliarden Sonnenmassen beträgt und TON 618 damit zur extremen Spitze der bekannten Population gehört.

Unsicherer ist die genaue Masse. Die oft genannten rund 66 Milliarden Sonnenmassen beruhen auf indirekten Messverfahren und sollten nicht als auf wenige Prozent genau bestimmter Wert verstanden werden. Deshalb ist auch die Frage, ob TON 618 tatsächlich das massereichste bekannte Schwarze Loch ist, weniger eindeutig, als populäre Ranglisten vermuten lassen.

Gerade darin liegt jedoch seine wissenschaftliche Bedeutung. TON 618 zeigt nicht nur, wie groß ein Schwarzes Loch werden kann. Es konfrontiert die Astronomie mit der viel schwierigeren Frage, wie ein solches Objekt überhaupt entstehen konnte. Das Licht, das wir heute von diesem Quasar empfangen, begann seine Reise, als das Universum noch jung war – und bereits damals hatte das Schwarze Loch eine Masse erreicht, für deren Entstehung selbst moderne Modelle nach möglichen Wegen suchen müssen.

TON 618 ist deshalb vor allem eines: ein sichtbares Zeugnis dafür, dass die extremsten Schwarzen Löcher des Kosmos nicht erst nach Milliarden weiterer Jahre kosmischer Entwicklung entstanden. Einige von ihnen waren schon früh gewaltig.

Quellen
▪︎ Shemmer et al. – Near Infrared Spectroscopy of High Redshift Active Galactic Nuclei: A Metallicity-Accretion Rate Relationship, The Astrophysical Journal
▪︎ NASA – Black Hole Basics und Größenvergleich supermassereicher Schwarzer Löcher
▪︎ Sloan Digital Sky Survey – Beobachtungsdaten zu TON 618
▪︎ Ulrich – Optical Spectrum and Redshift of the Quasar B2 1225+31, The Astrophysical Journal
▪︎ Iriarte und Chavira – Blue Stars in the North Galactic Cap, Tonantzintla Observatory
▪︎ Outmezguine et al. – Untersuchungen zu extrem massereichen Schwarzen Löchern und ihrer maximalen Wachstumsskala
▪︎ Haghighi und Moffat – Formation and Growth of the First Supermassive Black Holes