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20:00 10.01.2019
Schwarze Löcher zählen zu den großen Mysterien des Alls. Jetzt konnten Forscher erstmals das Zerreißen eines Sterns über lange Zeit beobachten. Quelle: Kornmesser/dpa
Berlin/Seattle

Schwarze Löcher gehören zu den geheimnisvollsten Objekten im Kosmos. Sie können die Masse von Millionen oder manchmal gar Milliarden Sonnen vereinen, und ihre extreme Schwerkraft sorgt dafür, dass nicht einmal das Licht aus ihnen entkommen kann. Diesem Umstand verdanken die Schwerkraftmonster ihren Namen, und aus genau diesem Grund lassen sie sich mit Teleskopen nicht direkt beobachten. Verleibt sich ein Schwarzes Loch jedoch neue Materie ein, leuchtet diese erst gleißend auf, bevor sie verschluckt wird. Und aus der Beobachtung dieses kosmischen Mahls lässt sich einiges über die Eigenschaften der Schwergewichte lernen. Anlässlich der Jahrestagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft AAS in Seattle haben Forscher neue Ergebnisse solcher „Ernährungsstudien“ präsentiert.

Schwarze Löcher zerreißen Sterne

In den Herzen der meisten Galaxien schläft ein supermassereiches Schwarzes Loch, das die Entwicklung der gesamten Galaxie erheblich beeinflusst. Im Abstand von meist einigen Hunderttausend Jahren erwacht es zu neuer Aktivität: Kommt ihm ein Stern zu nahe, wird er von der gigantischen Schwerkraft in Stücke gerissen und schließlich verschlungen.

Ein solches „Gezeiten-Sternzerreiß-Ereignis“ (tidal disruption event) hat ein automatisches Teleskopsystem im November 2014 in einer 290 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie registriert. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt – rund 9,5 Billionen Kilometer. Der Stern war von den starken Gezeitenkräften des Schwarzen Lochs zerfetzt worden: Dessen Schwerkraft zieht dabei an der nahen Seite des Sterns stärker als an der fernen und reißt den Stern so auseinander.

Forscher ermitteln Eigendrehung des Schwarzen Lochs

Mehrere Observatorien verfolgten das kosmische Drama. Aus den Beobachtungen hat eine Gruppe um Dheeraj Pasham vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) nun die Eigendrehung des Schwarzen Lochs ermittelt, den sogenannten Spin. Dieser Spin ist neben der Masse, die sich aus der Schwerkraftwirkung auf andere Himmelskörper ableiten lässt, die wichtigste Eigenschaft der Schwerkraftmonster, die sich jedoch nicht einfach bestimmen lässt.

„Es ist sehr schwierig, den Spin eines Schwarzen Lochs einzugrenzen, da Spin-Effekte erst sehr nah am Loch selbst in Erscheinung treten, wo die Schwerkraft extrem stark ist und es schwierig ist, einen klaren Blick zu bekommen“, erläutert Pasham in einer Mitteilung der Europäischen Raumfahrtagentur Esa. Deren Röntgensatellit „XMM-Newton“ hatte das Ereignis ins Visier genommen.

Materie wird glühend heiß und dann verschluckt

Die Materie des zerrissenen Sterns fällt nicht direkt ins Schwarze Loch, sondern sammelt sich in einer Art Strudel, der sogenannten Akkretionsscheibe, bevor sie endgültig verschluckt wird. Auf dieser Scheibe wird die Materie Millionen Grad heiß und strahlt helle Röntgenstrahlung ab. Aus der Beobachtung des innersten Bereichs der Akkretionsscheibe sollte sich Modellen zufolge der Spin bestimmen lassen, schildert Pasham die Annahme der Forscher. „Beobachtungen solcher Ereignisse waren jedoch nicht empfindlich genug, um diese Region starker Schwerkraft im Detail zu untersuchen – bis jetzt.“

In den Daten des europäischen Röntgensatelliten und der Weltraumteleskope „Chandra“ und „Swift“ der US-Raumfahrtbehörde Nasa entdeckten die Wissenschaftler eine regelmäßige Schwankung des Signals vom Schwarzen Loch mit einem Rhythmus von 131 Sekunden. 450 Tage lang ließ sich das Signal beobachten, wie das Team im Fachjournal „Science“ berichtet.

Detaillierte Beobachtung ist eine Premiere

„Das ist ein außergewöhnlicher Fund: Ein so helles Signal, das so lange stabil bleibt, ist niemals zuvor in der Umgebung irgendeines Schwarzen Loches beobachtet worden“, betont Ko-Autorin Alessia Franchini von der Universität Mailand. „Und dazu kommt das Signal aus der unmittelbaren Umgebung des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs – jenseits dieses Punkts können wir nichts beobachten, weil die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann.“

Aus dem Rhythmus der Röntgenpulse schlossen die Forscher auf die Abmessungen der sogenannten kleinsten stabilen Kreisbahn (ISCO; innermost stable circular orbit) um das Schwarze Loch. Diese wiederum ergeben sich daraus, wie schnell das Schwarze Loch rotiert. Ergebnis der Analyse: Das untersuchte Schwarze Loch muss sich mindestens mit 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit drehen.

„Das ist nicht superschnell – es gibt andere Schwarze Löcher, deren Spin auf nahe 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit geschätzt wird“, erläutert Pasham. „Aber es ist das erste Mal, dass wir das Auflodern eines Gezeiten-Sternzerreiß-Ereignisses nutzen konnten, um den Spin eines supermassereichen Schwarzen Lochs einzugrenzen.“

Wichtiger Schritt, um Galaxien zu verstehen

Die Untersuchung demonstriert damit eine neue Methode, um den Spin supermassereicher Schwarzer Löcher zu bestimmen. Die Forscher hoffen, in den kommenden zehn Jahren mehr solche Ereignisse zu entdecken. Die Spins mehrerer Schwarzer Löcher vom Anbeginn der Zeit bis heute abzuschätzen, könne etwa bei der Untersuchung der Frage helfen, ob es eine Verbindung zwischen Alter und Spin eines Schwarzen Lochs gibt, erläutern sie.

„Ereignisse, bei denen Schwarze Löcher Sterne zerreißen, die ihnen zu nahe kommen, könnten uns helfen, die Spins mehrerer Schwarzer Löcher zu kartieren, die nicht aktiv und sonst verborgen sind in den Zentren von Galaxien“, erklärt Pasham. „Das könnte uns letztlich helfen zu verstehen, wie Galaxien sich über kosmische Zeiträume entwickelt haben.“

Doch nicht nur supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren großer Galaxien verleiben sich neue Materie ein. Ein Team um Erin Kara von der Universität von Maryland hat ein relativ kleines Schwarzes Loch mit etwa der zehnfachen Masse unserer Sonne dabei beobachtet, wie es Material von einem Begleitstern einsaugt. Die ebenfalls auf dem Astronomenkongress in Seattle vorgestellte Untersuchung liefere das bislang klarste Bild davon, wie solche kleine, stellare Schwarze Löcher Materie konsumieren und Energie ausstrahlen, berichten die Forscher.

Ein schwarzes Loch neben dem Sternbild Löwe

Das Team hatte mit dem eigentlich zur Untersuchung sogenannter Neutronensterne gebauten Instrument „Nicer“ (Neutron Star Interior Composition Explorer) von der Internationalen Raumstation ISS aus das plötzlich aufflackernde Schwarze Loch untersucht, das etwa 10.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Löwe liegt. Es war am 11. März 2018 vom japanischen Instrument „Maxi“ registriert worden, das den gesamten Himmel nach plötzlichen Strahlungsausbrüchen im Röntgenbereich absucht, und trägt daher die Katalognummer MAXI J1820+070.

Das zuvor unbekannte Schwarze Loch, kurz als J1820 bezeichnet, hatte sich in nur wenigen Tagen zu einer der hellsten Quellen von Röntgenstrahlung entwickelt und bot den Forschern eine perfekte Beobachtungsperspektive. „Dieses gleißend helle Schwarze Loch erschien auf der Bildfläche komplett unverdeckt, so dass wir einen ganz unverfälschten Blick darauf bekamen, was vor sich ging“, berichtet Karas Kollege Jack Steiner vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). So konnten die Wissenschaftler genau verfolgen, wie sich das Schwarze Loch im Laufe seines Mahls entwickelte.

Von der ISS werden Lichtechos beobachtet

Eine zentrale Rolle spielt dabei die Korona, eine Wolke aus extrem heißem Gas, die sich oberhalb des Schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe befindet. Mit «Nicer» beobachteten die Wissenschaftler sogenannte Lichtechos: Licht von der Korona erreicht uns nicht nur direkt, sondern auch als eine Art Reflexion von der darunter liegenden Akkretionsscheibe.

„Nicer“ hat uns ermöglicht, Lichtechos näher an einem stellaren Schwarzen Loch zu messen als jemals zuvor“, betont Kara. „Bisher hat man diese Lichtechos von der inneren Akkretionsscheibe nur bei supermassereichen Schwarzen Löchern beobachtet, die Millionen bis Milliarden Sonnenmassen haben und sich nur langsam verändern. Stellare Schwarze Löcher wie J1820 haben viel weniger Masse und entwickeln sich viel schneller, so dass sich die Veränderungen auf menschlichen Zeitskalen abspielen.“

Im Laufe der Beobachtungen verkürzte sich das Lichtecho, wie die Forscher im Fachblatt «Nature» berichten. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen Korona und Akkretionsscheibe geschrumpft ist. Da zusätzliche Analysen zeigten, dass sich die Ausdehnung der Akkretionsscheibe nicht verändert hatte, schließen die Forscher, dass sich die Korona nahe am Schwarzen Loch zusammengezogen hat. Die heiße Gaswolke sei dabei innerhalb ungefähr eines Monats von einer Ausdehnung von ungefähr 100 Kilometern auf zehn Kilometer geschrumpft. „Es ist der erste eindeutige Fall eines Schrumpfens der Korona, während die Scheibe beständig bleibt“, unterstreicht Steiner.

Wissenschaftler prüfen Analogien zu anderen Schwarzen Löchern

„Die ‚Nicer’-Beobachtungen von J1820 haben uns etwas Neues über stellare Schwarze Löcher gezeigt und wie wir sie als Analogon zur Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher und deren Auswirkungen auf die Galaxienentwicklung nutzen könnten“, ergänzt Ko-Autor Philip Uttley von der Universität Amsterdam. Denn wenn die Forscher verstehen, wie und warum diese Veränderungen in stellaren Schwarzen Löchern im Laufe von Wochen stattfinden, könnten sie neue Einsichten in die über Millionen Jahre laufende Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher gewinnen – und von deren Einfluss auf ihre jeweilige Heimatgalaxie.

Von RND/dpa

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