Neue Röntgenquelle in M83
© Soria, R. et al., 2012
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Die meisten astronomischen Zeitskalen sind viel länger als die unseres Alltags und so erscheint Vieles im Universum unveränderlich. Auch der Begriff "Fixstern" zeugt von der in der Antike verbreiteten Überzeugung von der Unverrückbarkeit der Gestirne am Himmel. Doch in der modernen Astronomie zeigt sich, dass auch Sterne kommen und vergehen und dass diese Veränderungen innerhalb weniger Monate zu beobachten sind. Ein Astronomenteam aus Australien und den USA hat nun ein besonderes Objekt in der Spiralgalaxie Messier 83 im Sternbild Wasserschlange innerhalb von gut einem Jahr um ein Vieltausendfaches aufleuchten sehen.

Die Forscher beobachteten die 15 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie mit dem Weltraumteleskop Chandra, das den Himmel im Bereich der energiereichen Röntgenstrahlung betrachtet. Schon in ihren ersten Aufnahmen vom Dezember 2010 fand sich eine unerwartete Überraschung: eine extrem leuchtstarke, punktförmige Röntgenquelle. Dieses Objekt war zuvor unbekannt und ist in früheren Röntgenaufnahmen der Galaxie nicht zu sehen: Seine Helligkeit nahm während des Ausbruchs mindestens um einen Faktor 3000 zu. Die Röntgenquelle befindet sich weit entfernt vom Kernbereich der Welteninsel, den Spiralarmen und anderen Sternentstehungsgebieten. Ein aktiver Galaxienkern mit einem extrem massereichen Schwarzen Loch und der Röntgenstrahlung von seiner umgebenden Akkretionsscheibe lässt sich damit als Erklärung ausschließen.

Hubble's Blick auf die Akkretionsscheibe
© Soria, R. et al., 2012
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Sehr leuchtstarke Röntgenpunktquellen sind aus anderen Galaxien bekannt. Dort erklären Forscher sie mit Schwarzen Löchern von 20 bis 10 000 Sonnenmassen, auf die Materie von Begleitsternen einströmt. Die Materie fließt vom Begleiter nicht sofort in das Schwarze Loch, sondern bildet eine flache Scheibe aus. In dieser wird das Sternengas komprimiert und durch starke Reibung extrem erhitzt, bevor es schließlich im Schlund des Schwarzen Lochs verschwindet. Die stark erhitzte Akkretionsscheibe leuchtet unter anderem im Röntgenlicht hell auf. Die meisten dieser extrem leuchtstarken Röntgenquellen nähren ihre Akkretionsscheibe von einem jungen, heißen und deswegen blau leuchtenden Begleitstern. Doch müssten sich diese in den Spiralarmen oder Sternentstehungsgebieten der Galaxie befinden; auch dieser Erklärungsansatz fällt also aus.

Um das Rätsel zu lösen, beobachteten die Forscher das Objekt im Verlauf des folgenden Jahrs mit den Röntgensatelliten Chandra und Swift. Mit dem Gemini-Süd-Teleskop in Chile sowie dem Weltraumteleskop Hubble wurden optische Aufnahmen erstellt, um einen möglichen Begleitstern zu identifizieren. Die Röntgenbeobachtungen zeigten, dass die abgegebene Strahlung bis zu den letzten Messungen im Dezember 2011 auf dem 3000-fach erhöhten Niveau blieb und nur leicht um einen Faktor zwei schwankte. In anderen Worten: der Röntgenausbruch dauert an. In den optischen Aufnahmen zeigte sich an der Position der Röntgenquelle ein blaues, punktförmiges Objekt. Dessen Spektrum passte jedoch nicht zu demjenigen eines heißen jungen Sterns.

Die Ergebnisse all dieser Messungen zeichnen ein eindeutiges Bild: Das Objekt besteht aus einem Schwarzen Loch von 40 bis 100 Sonnenmassen und einem Begleitstern von weniger als vier Sonnenmassen. Diese Kombination eines Schwarzen Lochs mit einem massearmen Begleiter wurde bisher nie eindeutig nachgewiesen. Die Neuentdeckung in Messier 83 scheint zu einer neuen Population von Röntgenpunktquellen zu gehören, welche die Astronomen erst langsam entdecken. Der Begleiter ist vermutlich ein Roter Riese und soweit aufgebläht, dass seine äußere Hülle von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs angezogen und in eine Akkretionsscheibe gezwungen wird. Die Materie in der Scheibe wird durch die Reibung stark erhitzt und leuchtet dadurch im Röntgenlicht auf.

Doch wie kommt es zu dem beobachteten plötzlichen Helligkeitsausbruch? Eine kleine bestehende Akkretionsscheibe kann durch ihre Röntgenstrahlung den Begleitstern stärker aufblähen, so dass mehr Materie zum Schwarzen Loch überströmt. Dies verstärkt wiederum die Röntgenstrahlung, die den Stern weiter aufbläht, und in einem selbstverstärkenden Prozess nimmt der Helligkeitsausbruch seinen Lauf. So kann dieser Ausbruch nicht ewig andauern und Beobachtungen der nächsten Jahre werden zeigen, wie sich dieses Objekt verändert. Außerdem kann die Messung der Länge des Ausbruchs den Astronomen helfen zu verstehen, wie häufig solche Objekte im Universum sind.

Die intensive Röntgenstrahlung ist auch die Ursache für das in den Hubble-Aufnahmen beobachtete blaue Objekt. Der innere, sehr heiße Bereich der Akkretionsscheibe erhitzt den äußeren, zuerst kühleren Bereich durch die abgegebene Röntgenstrahlung. Dadurch leuchtet dieser vor allem im Ultravioletten und blauen Licht auf und verursacht das beobachtete Gegenstück zur Röntgenquelle in den Hubble-Bildern. Es handelt sich also nicht um einen blauen Stern wie bei den meisten anderen bekannten Objekten dieser Art.

Die Forschergruppe um Roberto Soria ist sich sicher, dass das von ihnen entdeckte Objekt auch in Zukunft nicht nur neue Erkenntnisse, sondern auch weitere Überraschungen für die Astronomen bereit hält.