Extrem massereiche Schwarze Löcher, die sich in Galaxienzentren befinden, machen durch den Einfluss auf ihre direkte Umgebung auf sich aufmerksam. Die physikalischen Prozesse, die mit der Akkretion von Materie einhergehen, können sehr viel Energie erzeugen und führen dazu, dass sich ein aktiver galaktischer Kern als eines der leuchtstärksten Objekte im Universum bemerkbar machen kann. Obwohl das Schwarze Loch selbst nicht leuchtet, ermöglicht die empfangene Strahlung aus diesen Regionen Rückschlüsse auf das vorhandene Material und auf die physikalischen Eigenschaften des Schwarzen Lochs – darunter seine Masse und Rotation.

Rotierendes Schwarzes Loch
© NASA, JPL / Caltech
(Ausschnitt)
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Die meiste Röntgenstrahlung in der Nähe von extrem massereichen Schwarzen Löchern hat ihren Ursprung in der heißen Korona. Ein Teil dieser wird an der Akkretionsscheibe reflektiert und erreicht den Beobachter mit einer zeitlichen Verzögerung. In dieser Darstellung ist die Korona als weißer Bereich an der Basis des Jets zu erkennen, doch welche Form sie tatsächlich annehmen kann, ist Gegenstand der aktuellen Forschung.

Wegen einer Vielzahl von wirkenden Strahlungsmechanismen leuchten aktive galaktische Kerne über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg. Unterschiede in den Spektren können dabei Hinweise auf physikalische Prozesse, aber auch auf Form und Ausrichtung der Objekte sein. Darüber hinaus können auch relativistische Effekte in unmittelbarer Nähe der kompakten Materieansammlungen eine Rolle spielen. Die Gravitationsrotverschiebung, deutliche Dopplereffekte wegen hoher Geschwindigkeiten sowie das relativistische Beaming, das den Lichtstrahl erheblich in Bewegungsrichtung fokussiert, verbreitern Emissionslinien nicht nur, sondern verformen sie erheblich. Damit prägen sich insbesondere das Geschwindigkeitsfeld, die Neigung der Akkretionsscheibe aber auch die Raumzeitkrümmung den beobachteten Linienprofilen wie ein Fingerabdruck auf.

Aber nicht nur einzelne Emissionslinien, sondern das gesamte Spektrum wird durch die relativistischen Effekte beeinflusst. Das erlaubte einer Gruppe von Astronomen um Michael Parker vom Institute of Astronomy in Cambridge mit Hilfe von Röntgenbeobachtungen im Energiebereich zwischen 0,5 und 50 Kiloelektronvolt auf Bewegungen der Korona zu schließen. Bei einer Beobachtung der Seyfert Galaxie Markarian 335, die sich in einer Entfernung von rund 324 Millionen Lichtjahren befindet, stellten die Forscher im Mai 2013 fest, dass sich ihre Strahlungscharakteristik geändert hatte. Darum schlossen sie umgehend Beobachtungen mit den Röntgensatelliten Suzaku und NuSTAR an. Mit den Untersuchungen im hochenergetischen Röntgenbereich lassen sich Prozesse im Wirkungsbereich des Schwarzen Lochs untersuchen. Beherrscht wird das Spektrum in diesen Bereichen für gewöhnlich von der thermischen Strahlung der Korona und durch die Reflexion der koronalen Primärstrahlung an der Akkretionsscheibe. Dort entstehen auch spezielle Eisen-Fluoreszenzlinien. Ein weiterer Anteil geht auf inverse Comptonstreuung zurück. Diese führt dazu, dass niederenergetische Photonen im heißen Material Energie aufnehmen und so zu höheren Frequenzen hin verschoben werden.

Die variable Röntgenstrahlung des Schwarzen Lochs (Grafik)
© NASA, JPL / Caltech / Institute for Astronomy, Cambridge
(Ausschnitt)
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Mit dem Röntgensatelliten NuSTAR wurde dieses Diagramm der Röntgenhelligkeit des Schwarzen Lochs von Markarian 335 gewonnen. Links ist die relative Helligkeit, unten die Energie in Kiloelektronvolt angegeben. Die blaue Kurve gibt die erwartete unbeeinflusste Helligkeit der Korona des Schwarzen Lochs wieder, die gelbe eine Modellrechnung für die Effekte durch die Beeinflussung. Die weißen Punkte mit Fehlerbalken geben die tatsächlichen Messwerte von NuSTAR wieder.

Die Korona ist eine besonders heiße Zone in der Nähe des Schwarzen Lochs, die vermutlich im Zusammenspiel mit der Rotation und den magnetischen Feldern eine Rolle bei der Teilchenbeschleunigung und der Erzeugung von Jets spielt. Aus ihren Beobachtungen schlossen die Astronomen, dass diese kollabierte und sich dem Schwarzen Loch auf einen Abstand näherte, der nur wenigen Radien des Ereignishorizonts entspricht. Diesen Schluss zogen die Wissenschaftler aus den Ergebnissen ihrer Modelle, mit deren Hilfe sie versuchten, den relativen Anstieg des reflektierten Anteils gegenüber der Primärstrahlung zu erklären. Rückt die Korona näher an das Zentrum, so werden mehr Lichtstrahlen in Richtung der Akkretionsscheibe gekrümmt und damit wird mehr Strahlung reflektiert. Des Weiteren verzerrt das Schwarze Loch die Raumzeit derart, dass insgesamt weniger Licht von der primären Quelle direkt nach Außen und somit zum Beobachter gelangen kann.

Da die Modelle auch von der Rotation des Schwarzen Lochs abhängig sind, konnten die Forscher gleichzeitig die Rotationsgeschwindigkeit des Objekts ermitteln. Es rotiert mit rund 98 Prozent der für ihn maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit. Von dieser extremen Rotation wird auch die Raumzeit in der direkten Umgebung mitgerissen und zu einer Art Strudel verformt. Dieses Phänomen wird als "Frame Dragging" bezeichnet. Es führt dazu, dass innerhalb einer bestimmten Zone um das Loch herum, der so genannten Ergosphäre, jedem Körper die Rotation des Schwarzen Lochs aufgezwungen wird. Am Ereignishorizont rotiert dann alles mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie das Loch selbst, was bei maximal rotierenden Objekten im Abstand des Horizonts der halben Vakuumlichtgeschwindigkeit entspricht.