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Astrophysik: Kosmische Monster der Mittelklasse

Außer den riesigen Mahlströmen in den Zentren aktiver Galaxien und den kleinen kosmischen "Staubsaugern", die bei Sternexplosionen entstehen, könnte es nach Beobachtungen von Röntgensatelliten eine dritte Art Schwarzer Löcher geben.


Wird Masse auf genügend kleinem Raum zusammengedrängt, so sagt Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Entstehung eines Schwarzen Lochs voraus. Begrenzt wird es von einer besonderen Art Fläche, seinem so genannten Ereignishorizont; diese Grenze kann zwar von außen nach innen überquert werden, aus ihrem Inneren dagegen lassen enorme Gravitationskräfte weder Materie noch Licht entkommen.

Wer das erste Mal von Schwarzen Löchern hört, dürfte versucht sein, sie ob dieser extremen Eigenschaften ins Reich der Science-Fiction zu verweisen. Eine derart verzerrte Raumzeit stellt die Vorstellungskraft selbst dann auf eine harte Probe, wenn man sich mit den Grundlagen von Einsteins vierdimensionaler Weltbeschreibung vertraut gemacht hat. Und doch spricht eine Vielzahl von Forschungsergebnissen dafür, dass die gefräßigen Monster nicht bloß theoretische Konstrukte sind, sondern höchst reale Objekte, die das All in großer Zahl bevölkern (Spektrum der Wissenschaft 8/99, S. 26).

Theoretisch am besten verstanden sind die so genannten stellaren Schwarzen Löcher. In Sternen wie unserer Sonne halten sich der Strahlungsdruck der Kernfusionsprozesse und die Schwerkraft die Waage; ist der Kernbrennstoff verbraucht, kommt es zum Kollaps. Für genügend schwere Sterne, das ergaben entsprechende Rechnungen, sollte das Endstadium des Zusammenbruchs, der in diesem Falle als kurzzeitig aufflammende Supernova sichtbar wird, ein Schwarzes Loch sein. Obwohl solche Sterne anfangs erheblich schwerer sein können als die Sonne, stoßen sie beim Kollabieren einen großen Teil ihrer Materie ab; stellare Schwarzer Löcher enthalten deshalb typischerweise nur zwischen drei und einigen Dutzend Sonnenmassen.

Sehr viel größere Schwarzer Löcher vermuten die Astrophysiker dagegen in Quasaren und Kernen aktiver Galaxien. Nur sie können die exorbitanten Mengen an Strahlungsenergie erklären, die solche Objekte auf verhältnismäßig kleinem Raum freisetzen. Dazu muss ihre Masse allerdings diejenige der Sonne um das Millionen- oder sogar Milliardenfache übersteigen.

Schwergewichts-Champions


Diese riesigen Schwarzen Löcher befinden sich im Inneren von Gaswolken. Deren Gas strömt, der Schwereanziehung folgend, auf sie zu und bildet wie Wasser, das aus der Badewanne abströmt, einen Wirbel – Astronomen sprechen von Ak-kretionsscheibe – um das Loch herum. Dabei erwärmt sich die einfallende Materie durch innere Reibung und gibt elektromagnetische Strahlung ab, die wegen der hohen Temperaturen von vielen Millionen Grad überwiegend im hochenergetischen Röntgenbereich liegt. Mögen Schwarze Löcher auch selbst nicht das geringste Licht abstrahlen – in Kombination mit Gaswolken können sie einige der hellsten Strahlungsquellen im All bilden.

Untersuchungen der Kernregion der Milchstraße legen nahe, dass sich auch dort ein gigantischer kosmischer Staubschlucker verbirgt. Demnach scheinen supermassive Schwarze Löcher nicht nur in aktiven Sternsystemen, sondern auch in ruhigeren wie dem unsrigen vorzukommen. Astrophysiker gehen mittlerweile davon aus, dass sie in Galaxienkernen die Regel und nicht die Ausnahme sind.

Allerdings ist bei supermassiven Schwarzen Löchern – anders als bei ih-ren kleinen stellaren Verwandten – noch weitgehend unklar, wie sie entstehen. In Frage kommen der Kollaps von Gaswolken oder von Sternhaufen in der Zentralregion der Galaxie, die Verschmelzung stellarer Schwarzer Löcher oder das stetige Anwachsen eines einzigen solchen Minimonsters, indem es sich mehr und mehr umgebende Materie einverleibt.

In jüngster Zeit nun haben Beobachtungen mit Hilfe von Röntgensatelliten Hinweise auf noch eine dritte Klasse Schwarzer Löcher erbracht – mittelschwere Exemplare mit einigen hundert bis zu einer Million Sonnenmassen. Sie bilden eine Art Bindeglied zwischen den beiden genannten Extremen. Derzeit bester Kandidat ist ein Objekt in der Galaxie M82 im Sternbild Großer Bär, zehn Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Das Interesse an ihm weckten Beobachtungen mit dem 1993 gestarteten japanischen "Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics" (ASCA). Sie zeigten, dass ein kompaktes Objekt im oder nahe dem Zentrum von M82 ungewöhnlich helle Röntgenstrahlung aussendet. Für seine enorme Leuchtkraft gibt es, genau besehen, nur zwei Erklärungen: Entweder handelt es sich um eine Supernova, also einen explodierenden Stern, oder um Gas, das auf eine kompakte Masse – vermutlich ein Schwarzes Loch – zufällt und dabei, wie oben erläutert, große Strahlungsmengen freisetzt.

Die Helligkeit des Objekts variiert teils über mehrere Monate, teils aber auch nur über einige Stunden, was für astronomische Verhältnisse ein extrem kurzer Zeitraum ist. Diese Intensitätsschwankungen passen schlecht zum Helligkeitsverlauf einer Supernova-Explosion. Die zweite Erklärung ist daher wesentlich naheliegender: Der Masseneinfall auf ein Schwarzes Loch fluktuiert und ruft so die beobachteten Helligkeitsänderungen hervor.

Eine Untergrenze für die Masse des kompakten Objektes ergibt sich aus seiner Helligkeit. Die beim Materie-Einfall erzeugte Strahlung übt auf das umgebende Gas Druck aus und wirkt so der anziehenden Gravitation entgegen. Aus der beobachteten Helligkeit lässt sich der Strahlungsdruck abschätzen und ausrechnen, wie schwer die anziehende Masse sein muss, damit das Gas trotz dieses Strahlungsdrucks weiter in das Gravitationspotenzial stürzt. Die ASCA-Beobachtungen ergaben eine Untergrenze von 500 Sonnenmassen, ließen allerdings offen, ob es sich vielleicht doch um ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum von M82 handelt, das eben einfach nur schwach leuchtet.

Weitergehende Aufschlüsse erhielten Philip Kaaret und Andrea Prestwich vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (Massachusetts) sowie Hironori Matsumoto vom Center for Space Research des Massachusetts Institute of Technology und Kollegen mit Hilfe des US-amerikanischen Röntgensatelliten Chandra, der das Objekt in M82 zwischen September 1999 und Juni 2000 insgesamt dreißig Stunden lang beobachtet hat. Chandra kann am Röntgenhimmel Strukturen unterscheiden, die von der Erde aus gesehen nur rund 0,0002 Winkelgrad – weniger als eine Bogensekunde – auseinander liegen; das entspricht der Größe eines Markstücks in mehr als sechs Kilometern Entfernung.

Was ASCA noch als eine einzige Strahlungsquelle erschienen war, erwies sich so als eine Ansammlung von mehr als einem Dutzend Einzelquellen in und um die Zentralregion. Dominiert wird sie von einem mindestens 500 Sonnenmassen schweren Objekt veränderlicher Helligkeit. Dieses befindet sich allerdings zur großen Überraschung der Beobachter nicht im Zentrum der Galaxie.

Aus den Helligkeitsschwankungen lässt sich auf die Ausdehnung des Objekts schließen. Einerseits sollten nämlich an so gewaltigen Intensitätsänderungen weite Teile der Gasmassen in der Umgebung der Röntgenquelle beteiligt sein; andererseits aber kann sich die Wirkung eines jeden Mechanismus, der solche Änderungen hervorruft, höchstens mit Lichtgeschwindigkeit von einer Objektregion zur anderen ausbreiten. Multipliziert man die Lichtgeschwindigkeit mit der Dauer der beobachteten Veränderungen, erhält man daher eine Obergrenze für die Ausdehnung der beteiligten Raumregionen.

Nun konnte mit Chandra beobachtet werden, dass sich die Helligkeit des Objekts binnen drei Monaten versiebenfachte. Daraus errechnet sich eine maximale Ausdehnung von rund zwei Billionen Kilometern. Das ist für die dort versammelten mindestens 500 Sonnenmassen sehr wenig. So viel Materie auf derart engem Raum lässt sich nicht durch herkömmliche Objekte, etwa einen dichten Sternhaufen, erklären – ein deutlicher Hinweis auf ein Schwarzes Loch.

Da sich die variable Röntgenquelle außerhalb des Zentrums der Galaxie befindet, kann man schließlich auch eine Obergrenze für ihre Masse abschätzen. Jedes Objekt, welches das Zentrum einer Galaxie umläuft, gerät im Wechselspiel mit dessen Schwereanziehung und kleinen Schwerkraftstörungen durch die umgebende Materie im Laufe der Zeit zwangsläufig in den Kern – je massereicher es ist, desto eher. Das Schwarze Loch in M82 konnte diesem Schicksal offenbar bislang entgehen. Ist es zusammen mit der Galaxie vor zehn Milliarden Jahren entstanden, so kann es daher höchstens 10000 Sonnenmassen besitzen – damit wäre es eindeutig als mittelschwer einzustufen. Ist es dagegen erst eine Milliarde Jahre alt, hat es maximal eine Million Sonnenmassen. Dann wäre es zwar gerade so schwer wie die leichtesten supermassiven Monster, wiese aber die für ein solches Loch ungewöhnliche Besonderheit auf, nicht zusammen mit der Galaxie entstanden zu sein, in der es beheimatet ist.

Ergebnis einer Implosion oder Verschmelzung?


Die Entdeckung einer neuen Klasse von kosmischen Objekten ist für sich allein schon interessant. Bei den mittelschweren Schwarzen Löchern aber kommt hinzu, dass sie helfen könnten, den Ursprung ihrer supermassiven Verwandten zu klären. Auch sie besitzen zu viel Masse, als dass sie durch den Kollaps eines einzelnen herkömmlichen Sterns entstanden sein könnten. Stattdessen kommen ähnliche Prozesse in Frage, wie sie für die Entstehung supermassiver Löcher vorgeschlagen worden sind – etwa der Kollaps riesiger Gaswolken oder die Verschmelzung von Sternen und stellaren Schwarzen Löchern. In dieser Hinsicht könnte von Bedeutung sein, dass M82 eine "Starburst-Galaxie" ist, die Regionen rapider Sternbildung und eine Vielzahl massiver Sternhaufen enthält.

Ohne weitere Informationen über die Häufigkeit und Verteilung mittelschwerer Schwarzer Löcher werden sich die Fragen nach ihrer Entstehung und ihrer Rolle im Universum kaum beantworten lassen. Deshalb geht die Suche nach ihnen weiter, während die bekannten Kandidaten noch gründlicher überprüft werden. So ist geplant, sie nicht nur weiterhin mit Chandra im Röntgenbereich, sondern auch im optischen und im Infrarotbereich des Spektrums zu beobachten; dadurch hofft man, genauere Informationen über die Eigenschaften der Akkretionsscheiben zu erhalten.

Auch die demnächst in Betrieb gehenden Gravitationswellendetektoren (Spektrum der Wissenschaft 12/2000, S. 48) versprechen interessante Aufschlüsse. So würden bei der Verschmelzung kleiner oder mittelschwerer Schwarzer Löcher Gravitationswellen mit einer Frequenz von etwa zehn Hertz freigesetzt. Sie sollten mit den im Aufbau befindlichen erdgebundenen Detektoren wie dem US-amerikanischen LIGO nachweisbar sein. Das Einfangen eines mittelschweren Schwarzen Lochs durch ein supermassives würde dagegen ein Schwerkraftsignal bei einer tieferen Frequenz liefern. Es müsste sich mit dem Gravitationswellendetektor LISA aufspüren lassen, das 2010 im Weltraum stationiert werden soll. Solche Messungen könnten also viel dazu beitragen, Ursprung und Entstehungsmechanismus der mittelschweren und supermassiven kosmischen Monster endgültig zu klären.


Der Röntgensatellit Chandra


Kosmische Röntgenstrahlung wird von der Erdatmosphäre absorbiert und lässt sich daher nur mit Teleskopen im Weltraum nachweisen. Der Röntgensatellit Chandra, benannt nach dem indisch-amerikanischen Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar (1910—1995), umläuft die Erde seit Juli 1999 auf einer elliptischen Bahn in einem Abstand von bis zu 140000 Kilometern.

Röntgenstrahlung ist so durchdringend, dass sie sich nur durch Reflexion an Spiegeln bündeln lässt, auf die sie in sehr flachem Winkel trifft. Eine entsprechende Anordnung von vier verschachtelten, röhrenartigen Spiegelflächen lenkt die von Chandra aufgefangene Strahlung in eine hochauflösende Kamera oder ein Spektrometer; mit zusätzlichen Beugungsgittern, die in den Strahlengang eingeführt werden können, lässt sich die Energie der Strahlung im Bereich zwischen 0,08 und 10 Kilo-Elektronenvolt (keV) mit einer Genauigkeit von wenigen Promille bestimmen (in der medizinischen Diagnostik wird Röntgenlicht mit Energien zwischen 20 und 150 keV verwendet). Die Aufnahmen mit der Kamera erreichen eine Auflösung von rund einer halben Bogensekunde.

Die wissenschaftlichen Ziele der Mission umfassen die Untersuchung der Überreste von Sternexplosionen sowie die Beobachtung von supermassiven Schwarzen Löchern und von heißen intergalaktischen Gaswolken in Galaxienhaufen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001

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