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Wissenschaftstrends: Kosmos im Aufruhr

Die Vorstellung vom ruhigen, kaum veränderlichen Weltraum ist obsolet, seit Forschungssatelliten immer neue, teils sehr rätselhafte Quellen von Röntgen- und Gammastrahlung ausmachen. In diesen bisher unzugänglichen Spektralbereichen eröffnen sich Einblicke in ein sich unablässig wandelndes, dynamisches Universum.

Im Gebäude 2 des Goddard-Raumflugzentrums der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde (Nation-al Aeronautics and Space Administration, NASA) in Greenbelt (Maryland) herrscht die für eine wissenschaftliche Tagung typische Betriebsamkeit. Die Teilnehmer eines Kolloquiums über aktive Galaxien attackieren die Vortragenden mit Fragen, eigenen Erklärungen und zusätzlichen Informationen. Selbst auf den Gängen finden lebhafte Diskussionen statt.

Angeregt wird die Atmosphäre durch die Daten von Forschungssatelliten, die den Tagungsort in einem kontinuierlichen Strom erreichen. Das Interesse gilt besonders dem deutsch-amerikanisch-britischen Instrumentensystem ROSAT (Roentgen Satellite) und dem GRO (Compton Gamma Ray Observatory) der NASA, welche die energiereichsten Objekte im Universum untersuchen: Röntgen- und Gammastrahlungsquellen.

Gegenüber sichtbarem Licht weisen Röntgenstrahlen die hundert- bis mehrzehntausendfache Energie auf; Gammastrahlen sind noch weit energiereicher (Kasten auf den Seiten 68 und 69). Durch Nachweis und Analyse dieser kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung, die in der Erdatmosphäre absorbiert wird und deshalb nicht vom Boden aus zu beobachten ist, bieten Rosat und GRO erstmals Einblick in die heftigsten und seltsamsten Vorgänge im Weltall: kannibalisierende Sterne, hell aufleuchtende Quasare und rätselhafte Gammastrahlungsausbrüche, sogenannte Gamma-Bursts, die anscheinend in zufälliger Weise auftreten. „Mit diesen raffinierten Instrumenten verfügen wir nun über einzigartige Forschungsmöglichkeiten, die den lange Zeit brachliegenden Zweig der Röntgen- und Gamma-Astronomie vorantreiben“, sagt Charles D. Bailyn von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut).

Selbst erfahrene Astronomen sind über die aktuellen Ergebnisse erstaunt. „Wenn Sie den Himmel bei hohen Energien beobachten, sieht er auf einmal alles andere als ruhig und unveränderlich aus“, erklärt Neil Gehrels, der wissenschaftliche Leiter des GRO-Projekts (Bilder 2 und 3). In Zeitspannen von Wochen, Tagen oder selbst einigen tausendstel Sekunden variiert die Helligkeit bestimmter Objekte beträchtlich. Aus solch raschen Veränderungen kann man schließen, daß die Strahlungsquellen für kosmische Verhältnisse sehr klein sein müssen, denn bei ausgedehnten Objekten würde es viel länger dauern, bis eine bestimmte Veränderung einen großen Teil des leuchtenden Gebiets erfaßt hätte – und dennoch emittieren sie unvorstellbare Energiemengen in Form elektromagnetischer Strahlung.

Die Astronomen glauben, daß sich hinter vielen dieser unsteten kosmischen Strahler ein Schwarzes Loch verbirgt – ein Objekt, das derart dicht und kompakt ist, daß nichts, noch nicht einmal Licht, seinem enormen Schwerefeld entkommen kann. Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Sonne zum Beispiel hätte einen Durchmesser von lediglich sechs Kilometern. Wenngleich eine solche Wellen- und Partikelfalle nicht direkt zu beobachten ist, kann doch Strahlung von Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehen. Theoretische Berechnungen zeigen, daß alles, was in den Gravitationssog eines Schwarzen Loches gerät, auseinandergerissen und in einen abgeflachten Ring um das Loch – Akkretionsscheibe genannt – verschmiert wird (Bild 1). Gas wird dabei spiralförmig nach innen gezogen und heizt sich durch Reibungsprozesse auf mehrere Millionen Grad auf; dadurch entsteht energiereiche elektromagnetische Strahlung. Zusätzlich kann von der Scheibe auch Teilchenstrahlung ausgehen, bevor die Materie für immer im Loch verschwindet.

Soweit die Theorie; bisher hat freilich niemand ein Schwarzes Loch wirklich gesehen. Wenngleich es diese seltsamen Objekte der Relativitätstheorie zufolge tatsächlich geben sollte und fast alle Astronomen an ihre Existenz glauben, sind Versuche eines Nachweises alles andere als einfach. Beobachtungen im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich kommt dabei wesentliche Bedeutung zu, denn gemäß ihrem hohen Energieinhalt muß diese Strahlung aus Bereichen stammen, die dramatischen Vorgängen unterworfen sind – möglicherweise also aus der unmittelbaren Umgebung von Schwarzen Löchern. Darum können Beobachtungen in diesem hochenergetischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums Indizien für die Existenz von Schwarzen Löchern und Hinweise auf deren Wechselwirkung mit ihrer Umgebung liefern.

Einige der überzeugendsten Befunde stammen aus Beobachtungen von Röntgen-Novae, die zu den unbeständigsten Objekten am Röntgenhimmel gehören. Innerhalb weniger Tage kann ihre Strahlungsintensität auf das Millionenfache ansteigen, um anschließend während mehrerer Monate allmählich so weit abzunehmen, daß sie nicht mehr nachweisbar ist. Dieses Verhalten ähnelt im Prinzip dem gewöhnlicher Novae, bei denen Materie von einem normalen Stern auf seinen kompakten Begleiter, einen Weißen Zwerg, überströmt (Bild 4 oben). Dabei sammelt sich so lange Gas auf der Oberfläche des Zwergsternes, bis diese einen kritischen Zustand erreicht und wie eine gigantische Wasserstoffbombe detoniert.

Da aber Röntgen-Novae weit mehr Energie abstrahlen als gewöhnliche, muß das kompakte Objekt offenbar noch erheblich dichter sein als ein Weißer Zwerg. „Röntgen-Novae liefern“, urteilt der Astrophysiker Jeffrey E. McClintock von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts), „die stärksten Indizien für die Existenz von Schwarzen Löchern.“

Die Suche nach Schwarzen Löchern

McClintock betont, daß diese Systeme aufgrund ihrer Vergänglichkeit – des auffälligsten Merkmals – besonders wertvolle Untersuchungsobjekte seien. Während eines Ausbruchs überstrahlt ihre Röntgen-Emission zwar die einzelnen Komponenten einer Nova. Nach Abnahme der Helligkeit läßt sich der gewöhnliche Begleitstern aber leicht beobachten und seine Bewegung messen; daraus kann man die Masse des ungewöhnlichen Objekts, das er umkreist, ermitteln.

Der Theorie zufolge sollte jeder kollabierte Körper mit mehr als drei Sonnenmassen ein derart starkes Gravitationsfeld erzeugen, daß er sich in ein Schwarzes Loch zusammenziehen müßte. Seit mehr als einem Jahrzehnt suchen zahlreiche Astrophysiker systematisch nach einem Objekt, das diese magische Grenze überschreitet.

Die Beobachtungen der beiden letzten Jahre lieferten immer genauere Hinweise. So hat im vergangenen Jahr ein Team unter Leitung von J. Casares vom Institut für Astrophysik der Kanarischen Inseln die 1989 erschienene Nova V404 Cygni untersucht, die ungefähr 7000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, und für den nicht sichtbaren Stern einen Mindestwert von 6,3 Sonnenmassen abgeleitet. Dies könnte nach Aussagen der Wissenschaftler „das bisher überzeugendste Argument für die Existenz eines Schwarzen Loches“ sein.

Hinweise darauf, was geschieht, wenn sich ein Schwarzes Loch und ein gewöhnlicher Stern nahe kommen, lassen sich vermutlich aus dem äußerst irregulären Verhalten der Röntgen-Novae gewinnen. „Es ist noch nicht eindeutig geklärt, warum sie wieder verschwinden – aber sie tun es“, sagt McClintock. Eine Erklärung dafür könnte sein, daß das Schwarze Loch die meiste Zeit über gleichsam hungern muß, bis gelegentlich der Begleitstern anschwillt und dessen äußere Schichten auf es überströmen. Einer anderen Vorstellung zufolge sammelt sich das vom normalen Stern überströmende Gas in einer Scheibe um das Schwarze Loch, bis diese einen kritischen Zustand erreicht, bei dem Materie abrupt spiralförmig nach innen stürzt und einen gewaltigen Strahlungsblitz auslöst.

Theoretische Arbeiten von Wan Chen vom Goddard-Zentrum sowie Gehrels und Mario Livio vom Space-Telescope-Science-Institute in Baltimore (Maryland) stützen das alternative Modell. Demnach erleiden Röntgen-Novae einige Monate nach der ursprünglichen Explosion einen zweiten, allerdings schwächeren Ausbruch; der Satellit GRO hat ein solches Phänomen bei der Nova Persei 1992 registriert, einer im vergangenen Jahr erschienenen, ungewöhnlich hellen Röntgen-Nova (Bild 4 unten). „Wir glauben nun die Ursache zu kennen“, erklärt Gehrels: Er und seine Kollegen vermuten, daß eine Instabilität in der Akkretionsscheibe den anfänglichen Röntgen-Ausbruch hervorrufe; Strahlung aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Loches setze dann weitere Materie von der Oberfläche des Begleitsterns frei, die schließlich in das Loch stürze und so einen zweiten Röntgenblitz auslöse.

Als Qualität und Anzahl der Beobachtungen im Röntgenbereich zunahmen, entdeckte man eine verdächtige Erscheinung in der Lichtkurve von Röntgen-Novae, die sich in kürzeren Abständen wiederholt. Eine Gruppe unter Leitung von William S. Paciesas von der Universität von Alabama in Tuscaloosa beobachtete die Nova Persei 1992 mit Hilfe von GRO und fand, daß die Helligkeit zwar nicht völlig rhythmisch, aber doch mit einer gewissen Regelmäßigkeit schwankt; Astronomen bezeichnen solche Variationen als quasiperiodische Oszillationen. Der japanische Forschungssatellit Ginga registrierte ähnliche Fluktuationen bei einigen anderen Röntgen-Novae. Auch Cygnus X-1, ein Doppelsternsystem, von dem man schon seit langem vermutet, daß es ein Schwarzes Loch enthalte, weist solche Schwankungen auf, wie mehrere Forscher im letzten Jahr erkannt haben.

„Plötzlich tauchen überall quasiperiodische Oszillationen auf. Man fragt sich, was da nur los ist“, sagt Jay P. Norris vom Goddard-Zentrum. Noch vor kurzem glaubten die meisten Forscher, solche Oszillationen könnten nur bei Weißen Zwergen, Neutronensternen und ähnlichen Objekten auftreten, die eine feste, rotierende Oberfläche aufweisen. Ein Schwarzes Loch hingegen hat überhaupt keine Oberfläche im herkömmlichen Sinne. Oszillationen könnten sich nur innerhalb seiner Akkretionsscheibe einstellen – aber „es gibt keine einzige gute Theorie darüber, was genau ihre Ursache bei Schwarzen Löchern ist“, gesteht Norris ein.

Bisher wurden Oszillationsperioden zwischen 10 und 100 Sekunden festgestellt – diese Werte sind zu groß, als daß die Rotation der inneren Scheibenbereiche als Ursache in Frage käme. Eric Gotthelf von der Columbia-Universität in New York vermutet, daß das Auseinanderreißen und erneute Sich-Verbinden von Magnetfeldlinien in der rasch herumwirbelnden Scheibe die Oszillationen auslösen könnte.

Weit mehr noch als diese Entdeckungen und neuen Rätsel hat die Behauptung, unser Milchstraßensystem beherberge in seinem Zentrum ein gigantisches Schwarzes Loch mit mehreren Millionen Sonnenmassen, die Gemüter erregt (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1990, Seite 76). Man könnte meinen, zumindest das Aufspüren eines solch kolossalen Materievernichters in kosmisch nächster Nähe sei einfach; aber selbst einer der ersten Verfechter dieser Idee, Sir Martin J. Rees von der Universität Cambridge (England), räumt ein, daß „die Indizien nicht überwältigend“ seien. Nur fügt er lachend hinzu: „Es gibt auch keinen Gegenbeweis.“

Rees und seine Kollegen stützen sich auf ein allgemeines Argument. Viele, vielleicht sogar alle Galaxien durchlaufen in einer frühen Phase ein turbulentes Stadium, in dem ihre Zentralbereiche äußerst aktiv sind. Joachim Trümper, der wissenschaftliche Leiter des ROSAT-Projekts vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, schätzt, daß ROSAT etwa 25000 dieser aktiven galaktischen Kerne registriert hat (Bild 5). Die meisten Theoretiker vermuten darin als Energiequelle Schwarze Löcher, deren Masse weitaus größer sein müßte als die der kleineren in Röntgen-Doppelsternen. In älteren, näher liegenden Galaxien wären diese gigantischen Kraftwerke demnach weitgehend zur Ruhe gekommen – was auch beim Milchstraßensystem der Fall sein könnte.

Für die Richtigkeit dieser Annahme sprechen einige gewichtige Indizien. Astronomen haben im oder sehr nahe am Zentrum unserer Galaxis eine starke Radioquelle – Sagittarius A* – identifiziert, die von Wolken aus turbulentem, sich rasch bewegendem Gas umgeben ist. Mit Röntgen- und Gammastrahlen-Teleskopen war jedoch nichts Auffälliges erkennbar. Das Fehlen hochenergetischer Strahlung von Sagittarius A* überraschte Rees nicht: „Die meiste Zeit über wird das Schwarze Loch wohl wenig tun“ – soll heißen, es ist einfach deswegen relativ ruhig, weil nur sehr wenig Gas hineinfällt.

Im Jahre 1991 schließlich gelang es mit dem französisch-sowjetischen Satelliten GRANAT, schwache Röntgen-Emissionen von Sagittarius A* zu entdecken. Und bei der Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft letzten Januar konnte ein Team unter Leitung von John R. Mattox vom Goddard-Zentrum vermelden, daß das EGRET-Teleskop an Bord von GRO innerhalb eines Bereichs von 50 Lichtjahren Durchmesser um das dynamische Zentrum des Milchstraßensystems eine schwache Gammaquelle entdeckt hatte.

Fulvio Melia von der Universität von Arizona in Tucson hat ein widerspruchsfreies Modell konstruiert, wonach die unregelmäßig schwankende Röntgen-, Infrarot- und Radiofrequenzstrahlung von Sagittarius A* aus einer Scheibe heißen Gases stammt, das spiralförmig in ein Schwarzes Loch stürzt. Als „beste Anpassung“ an sein Modell ergeben sich für die Masse der Akkretionsscheibe ungefähr 900000 Sonnenmassen und für den Durchmesser 100 Millionen Kilometer (was etwa dem der Merkur-Bahn entspricht). Andere Forscher wie Robert Petre vom Goddard-Zentrum, der den amerikanischen Teil des ROSAT-Projekts leitet, sind skeptischer: „Die Befunde widersprechen sich so stark, daß wir noch nicht sagen können, ob sich im galaktischen Zentrum ein Schwarzes Loch befindet.“

Diese Verwirrung ist zum Teil darauf zurückzuführen, daß sich in der Mitte der Galaxis nicht nur eine, sondern viele Röntgen- und Gammaquellen befinden. Eine der faszinierendsten und widersprüchlichsten ist ein nur unter der Katalognummer 1E1740.7–2942 bekanntes Objekt. Vor drei Jahren berichtete Raschid Sunjajew vom Institut für Kosmosforschung in Moskau, der das GRANAT-Projekt leitet, daß das französische Gammastrahlen-Teleskop SIGMA an Bord dieses Satelliten einen von dieser Quelle kommenden kurzen, aber enorm hellen Gammastrahlungsblitz registriert habe. Ein großer Teil der Strahlung hatte eine Energie von 511000 Elektronenvolt; dieser Wert ist für die Paarvernichtungs- oder Annihilationsstrahlung charakteristisch, die entsteht, wenn ein Elektron und sein Antiteilchen – ein Positron – sich treffen und in ein Gammaquant umwandeln. (Zum Vergleich: Die Energie des sichtbaren Lichts beträgt etwa zwei Elektronenvolt.) Aus diesem Grunde nannte Marvin Leventhal vom Goddard-Zentrum, der bereits Ende der siebziger Jahre mit Ballonflügen die Paarvernichtungsstrahlung aus der Richtung des galaktischen Zentrums nachgewiesen hatte, aber ihren genauen Herkunftsort nicht identifizieren konnte, die Quelle den „Großen Annihilator“.

Leventhal zufolge besteht dieses Objekt vermutlich aus einem massereichen gewöhnlichen Stern und einem Schwarzen Loch von durchschnittlicher Sternmasse, die sich eng umkreisen. In das Loch einströmendes Gas heizt sich so stark auf, daß es hochenergetische Gammastrahlung aussendet. Da das emittierende Gebiet sehr klein ist, kollidieren viele dieser Gammaquanten miteinander und erzeugen dabei wiederum Paare von Elektronen und Positronen. (Eine solche Umwandlung ist möglich, weil Energie und Masse – wie Albert Einstein als erster erkannt hatte – einander äquivalent sind.) Die geladenen Teilchen stieben nach allen Seiten davon, bis die Positronen schließlich in einer nahegelegenen interstellaren Gaswolke auf Elektronen treffen, wobei abermals Gammastrahlung entsteht – eben mit einer Energie von 511000 Elektronenvolt.

Wie andere mutmaßliche Schwarze Löcher scheint auch der Große Annihilator die Forscher gleichsam an der Nase herumzuführen. Seit GRO den galaktischen Zentralbereich genauestens beobachtet, verhält er sich ruhig. William Purcell jr. von der Northwestern University in Evanston (Illinois) berichtet, daß der OSSE-Detektor an Bord von GRO „keinerlei Hinweise“ auf Annihilationsstrahlung gefunden habe.

Andererseits bestätigt eine Radiokarte, die eine von I. Felix Mirabel vom Astrophysikalischen Dienst in Gif-sur-Yvette (Frankreich) geleitete französisch-mexikanische Arbeitsgruppe erstellt hat, daß der Große Annihilator doch in jeder Hinsicht ein sehr außergewöhnliches Objekt ist: Von einer kompakten Quelle, deren Position mit derjenigen der beobachteten Röntgen- und Gammaquelle übereinstimmt, gehen in entgegengesetzter Richtung zwei Ströme ausgeworfener Materie aus, die Radiostrahlung emittieren. Mirabel und Leventhal zufolge markieren diese Jets die Bewegung der schnellen Positronen, bevor diese schließlich in den umgebenden Gaswolken zerstrahlen.

Solche Jet-Strukturen sind für Objekte in unserer Galaxis ungewöhnlich; hingegen sind sie von Quasaren und von den Kernen aktiver Galaxien her wohlbekannt. Von diesen größten Energieschleudern im Kosmos erstrecken sich Jets oft Hunderttausende von Lichtjahren weit ins All. Auch in ihrem scheinbar widersprüchlichen Erscheinungsbild – schnelle Helligkeitsfluktuation bei enormer Leuchtkraft – sind sich Großer Annihilator und aktive Galaxienkerne sehr ähnlich.

Schwarze Löcher – Ursache aktiver Galaxien?

Quasare können die Helligkeit des gesamten Milchstraßensystems um das Tausendfache übertreffen – und dennoch ihre Helligkeit im sichtbaren Licht während eines einzigen Tages um die Hälfte ändern. Die neuesten Beobachtungen bei hohen Energien, insbesondere durch GRO, belegen eindrucksvoll, wie extrem das Verhalten mancher Quasare sein kann. Gleichzeitig stimmen diese Meßdaten mit den plausibelsten theoretischen Modellen über den Energieerzeugungsmechanismus dieser Objekte hervorragend überein.

Diese Modelle besagen, daß die hellsten Quasare Schwarze Löcher von mehreren Milliarden Sonnenmassen enthalten, deren Durchmesser nicht größer ist als derjenige von Plutos Umlaufbahn um die Sonne. Ähnlich wie bei Röntgen-Doppelsternen erhitzt sich das um den zentralen Gravitationsstrudel wirbelnde Gas und strahlt, kurz bevor es eingesaugt wird, gewaltige Energiemengen ab. Mitunter können einige zehntausend Lichtjahre lange Jets aus geladenen Teilchen von der Akkretionsscheibe weggeschleudert werden. Je nachdem, wie die Scheibe zur Beobachtungsrichtung geneigt ist, erscheint das System für einen irdischen Betrachter verschieden; Astronomen klassifizieren die hellsten aktiven Galaxienkerne als Quasare oder als sogenannte BL-Lacertae-Objekte, die etwas ruhigeren als Seyfert-Galaxien.

Beobachtungen im Röntgenbereich liefern überzeugende Indizien, daß aktive Galaxienkerne tatsächlich aus einem supermassiven Schwarzen Loch mit Akkretionsscheiben bestehen. Seit einigen Jahren schon ist bekannt, daß sich die Röntgen-Intensität der Kerne besonders rasch ändern kann – im Laufe von Stunden oder sogar wenigen Minuten. „Viele Kollegen sind ganz begeistert von der Veränderlichkeit im Röntgenbereich“, erklärt Andrew Lawrence vom Queen Mary and Westfield College in London, „weil ihre Geschwindigkeit verrät, daß man direkt in den Kern hineinsieht“ – also in die unmittelbare Nähe des Schwarzen Loches. Denn nur dann sind die Entfernungen klein und die Bewegungen schnell genug, daß Veränderungen innerhalb einer solch kurzen Zeitspanne auftreten können.

Früheren Untersuchungen zufolge sollten die Helligkeitsschwankungen im Röntgenbereich zufälliger Natur sein. Als aber Lawrence und sein Doktorand Iossif Papadakis archivierte Beobachtungsdaten der Seyfert-Galaxie NGC 5548 erneut auswerteten, entdeckten sie etwas Unerwartetes: eine quasiperiodische Oszillation von etwa acht Minuten Dauer. In Daten des Ginga-Satelliten fanden sie dasselbe zeitliche Muster. „Ein Beweis, daß es wirklich so ist“, folgert Lawrence. Auch findet er es sehr ermutigend, daß vor kurzem ähnliche Oszillationen in Doppelsternsystemen entdeckt wurden, von denen man annimmt, daß ein Partner ein Schwarzes Loch ist. Lawrence vermutet, daß „derselbe Mechanismus beide Objektklassen erklären“ könne.

Ursache der Periodizität von NGC 5548 kann eine besonders heiße Stelle in der Akkretionsscheibe sein, die pro Umlauf einmal sichtbar wird, oder aber eine Instabilität in der Scheibe, die selbst fluktuiert. Für beide Fälle läßt sich aus der Periode die ungefähre Masse des Schwarzen Loches ableiten. Lawrence erhält dafür einen Wert zwischen 100000 und einer Million Sonnenmassen – nur ein Zehntel bis ein Hundertstel dessen, was andere Wissenschaftler aus der Variabilität dieses Objektes im sichtbaren Licht ableiten. „Das macht mich ein bißchen nervös“, gesteht Lawrence, obgleich die Fehlergrenzen solcher Abschätzungen bisher noch sehr groß sind. Er hofft aber, daß seine Befunde und Folgerungen die theoretischen Modelle „bis an ihre Grenze“ vorantreiben und damit endlich aufklären, was sich in der Umgebung Schwarzer Löcher wirklich abspielt.

Während die Theoretiker sich damit abzufinden beginnen, daß quasiperiodische Oszillationen womöglich in allen Akkretionsscheiben auftreten, ist bisher nur ein Fall einer aktiven Galaxie bekannt, die völlig regelmäßigen Veränderungen unterliegt. Im Jahre 1985 entdeckte man mit dem Röntgen-Satelliten Exosat, daß die Fluktuationen in der Seyfert-Galaxie NGC6814 sich alle 3,3 Stunden zu wiederholen scheinen. Chris Done von der Universität Leicester (England) leitete aus neueren Daten von Ginga einen präziseren Wert von 12130 Sekunden ab. Auch konnte sie zeigen, daß diese Periode „sehr stabil“ bleibt, was darauf hinweist, daß sie nicht auf Vorgänge in einer Akkretionsscheibe zurückzuführen ist, denn wegen der dortigen Turbulenz sollten sich die Bedingungen fortlaufend ändern.

Chris Done vermutet als wahrscheinlichste Ursache für die regelmäßigen Schwankungen von NGC6814 einen Stern, der ein Schwarzes Loch auf enger Umlaufbahn umkreist. In diesem Falle müßte die intensive Röntgenstrahlung von einem einzigen Objekt stammen und könnte nicht von mehreren kleinen Quellen emittiert werden.

Aus der Periodenlänge läßt sich dann auch auf die Masse des Schwarzen Loches schließen. Da der Stern offensichtlich noch nicht verschlungen ist, muß er einen einigermaßen sicheren Abstand vom Loch haben. Falls dieser 80 Millionen Kilometer – etwa das Fünfzigfache des Loch-Radius – beträgt, sollte das Schwarze Loch etwa eine Million Sonnenmassen aufweisen. Wie Chris Done erläutert, müsse die Masse des Zentralobjekts weniger als 100 Millionen Sonnenmassen betragen, sonst würde der Stern verschlungen; andererseits müsse sie größer als 100000 Sonnenmassen sein, denn sonst könne NGC6814 nicht die beobachtete Leuchtkraft im Röntgenbereich haben. Dieser Wertebereich ist konsistent mit den heutigen Modellen über aktive Galaxienkerne.

Nicht-thermische Gammastrahlung

Mit Hilfe von GRO lassen sich einige Einzelheiten dieser Modelle überprüfen, da der Satellit durch seine Messungen im hochenergetischen Gammastrahlungsbereich das Wissen über aktive Galaxienkerne erheblich verbessert. „Die Meßdaten haben völlig neue Impulse für das Forschungsfeld gebracht“, schwärmt Charles D. Dermer vom Naval Research Laboratory in der amerikanischen Bundeshauptstadt Washington; und bis jetzt stimmten die GRO-Ergebnisse „recht gut mit der Standard-Vorstellung überein“. Aktive Galaxien ohne Radio-Emission scheinen keine Jets zu haben, so daß ihre gesamte Strahlung von der das Schwarze Loch umgebenden Materie stammen muß. Solche Galaxien, sagt Dermer, emittieren oberhalb einer Energie von etwa 100000 Elektronenvolt keine Gammastrahlung mehr. Damit ähnelt der hochenergetische Bereich des elektromagnetischen Spektrums dieser Objekte der thermischen Abstrahlung von heißem Gas, das scheibenförmig ein supermassives Schwarzes Loch umkreist.

Diejenigen Galaxien mit Jets, die im Radiofrequenzbereich strahlen, sollten auch bei höheren Energien Gammastrahlung emittieren. Vor dem Start von GRO im Jahre 1991 kannte man nur eine aktive Galaxie, den Quasar 3C273, die noch oberhalb von 100 Millionen Elektronenvolt Gammastrahlung aussandte, so daß verallgemeinernde Aussagen nicht möglich waren. Nach der GRO-Durchmusterung des Himmels im Gammastrahlungsbereich sind 23 derartige Galaxien bekannt, und fast wöchentlich werden es nun mehr. Alle diese Objekte sind starke Radioquellen, und fast alle zeigen ein „blazar-ähnliches Spektrum“, wie die Astronomen es nennen, bei dem der hochenergetische Bereich des Spektrums nicht-thermischen Ursprungs ist, also nicht auf heißes Gas als abstrahlendes Medium zurückgeführt werden kann. Dermer folgert daraus, daß wir bei diesen Galaxien „direkt in Richtung des Jets zu blicken scheinen“.

Ein solcher auf die Erde gerichteter Jet könnte viele Eigenschaften des außergewöhnlichen Quasars 3C279 erklären helfen. Wenngleich er etwa sechs Milliarden Lichtjahre entfernt und damit auf halber Strecke bis zum Rand des sichtbaren Universums liegt, wurde er von den GRO-Detektoren deutlich registriert. Demnach ist er die hellste Gammastrahlungsquelle im Weltall. Was auch immer die gewaltigen Energiemengen in seinem Innern erzeugt, der Mechanismus ist sehr effektiv: Im Gammastrahlungsbereich emittiert 3C279 zehnmal soviel Energie wie bei allen anderen Wellenlängen zusammen. Auch muß das abstrahlende Gebiet sehr klein sein, denn die Gamma-Intensität variiert enorm, wie Robert C. Hartman vom Goddard-Zentrum und seine Kollegen letztes Jahr mit dem EGRET-Teleskop von GRO feststellten: Innerhalb von 14 Tagen verdoppelte sie sich zunächst, um dann auf ein Viertel abzufallen.

Diese Eigenschaften lassen sich zumindest einigermaßen verstehen, wenn man als Strahlungsquelle einen Teilchen-Jet annimmt, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Teilchen hätten dann genug Energie, um die hochenergetischen Gammastrahlen zu erzeugen. Falls sich ein solcher gebündelter Strahl genau in Richtung Erde ausbreitet, würde ein irdischer Beobachter die Quelle im Gamma-Bereich als äußerst hell empfinden, wenngleich sie in andere Raumrichtungen wohl erheblich weniger Energie abstrahlt und mithin ihre Gesamtleuchtkraft nicht ungewöhnlich hoch zu sein braucht.

Tatsächlich war 3C279 – wie auch schon 3C273 – bereits als Quasar bekannt, der auf Radiokarten den Eindruck erweckte, Teile von ihm würden sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Wie man glaubt, ist dies eine optische Täuschung, die durch relativistische Effekte in einem gerichteten, sich fast mit Lichtgeschwindigkeit zum Beobachter hin ausbreitenden Strahl hervorgerufen wird (vergleiche „Der Quasar 3C273“ von Thierry J.-L. Courvoisier und E. Ian Robson, Spektrum der Wissenschaft, August 1991, Seite 94).

Aufgrund ihrer enormen Geschwindigkeit erzeugen die Teilchen in solchen Jets eine dermaßen hochenergetische Gammastrahlung, daß selbst die Detektoren von GRO sie nicht mehr zu registrieren vermögen. Im März letzten Jahres gelang jedoch einer Forschungsgruppe unter Leitung von Trevor C. Weekes vom Whipple-Observatorium in Amado (Arizona) der Nachweis von Gammaquanten mit einer Billion Elektronenvolt (einem Teraelektronenvolt), die das BL-Lacertae-Objekt Markarian 421 – das mit einer Entfernung von etwa 400 Millionen Lichtjahren relativ nahe ist – aussendet (Spektrum der Wissenschaft, November 1992, Seite 26). Dies ist die höchste Energie, die je bei einer aktiven Galaxie registriert werden konnte.

Für derartige Strahlung gibt es keine Detektoren; sie läßt sich aber mit indirekten Methoden auf der Erdoberfläche nachweisen: Trifft ein solch hochenergetisches Gammaquant in der Atmosphäre auf Atome, entsteht durch Kernreaktionen eine Lawine subatomarer Teilchen. Diese bewegen sich unmittelbar nach ihrer Entstehung schneller als das Licht in Luft (aber langsamer als mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, die kein Teilchen überschreiten kann), so daß sie sogenannte Tscherenkow-Strahlung aussenden. Diese Lichtblitze registrierten Weeks und seine Mitarbeiter vom Boden aus mit einem speziell ausgerüsteten Teleskop.

Die Energie der Teilchen im Jet von Markarian 421 muß freilich noch größer sein als die der Gammastrahlung, die sie erzeugen. ROSAT registrierte zudem, daß die Helligkeit dieses Objekts im Röntgenbereich sehr stark variiert. Diese beiden Befunde – hohe Strahlungsenergie und Variabilität – stützen die Annahme, daß Markarian 421 und damit auch andere BL-Lacertae-Objekte und Quasare in ihren Zentren Schwarze Löcher mit enormer Masse enthalten. Ein alternatives Modell, demzufolge die Abstrahlung aktiver Galaxien auf sehr intensive Sternbildungsprozesse und zahlreiche Supernova-Explosionen zurückzuführen wäre, kann – wie Andrew Robinson von der Universität Cambridge betont – diesen Befunden nicht Rechnung tragen.

Das Rätsel der Gamma-Bursts

Da man mit Schwarzen Löchern die Ursache der spezifischen Prozesse von Röntgen-Novae und aktiven Galaxienkernen so gut verstehen kann, ziehen manche Astrophysiker sie auch als Erklärung für die Gamma-Bursts heran. Sie gehören zu den wohl rätselhaftesten Phänomenen im Kosmos: Für die Dauer winziger Sekundenbruchteile bis zu einigen Minuten leuchten sie mit einer Intensität auf, die diejenige aller anderen Gammaquellen – einschließlich der Sonne – oft weit übertrifft. Keiner dieser Strahlungsblitze ähnelt einem anderen, und niemals wurden zwei an derselben Position beobachtet. Zudem nimmt die Intensität selbst nach den Maßstäben der Hochenergie-Astrophysik erstaunlich schnell zu und wieder ab; die kürzesten beobachteten Schwankungen erfolgen in weniger als einer tausendstel Sekunde – was bedeutet, daß der Durchmesser ihres Ursprungsgebiets nicht mehr als einige Dutzend Kilometer betragen kann. Bis jetzt ist es noch nie jemandem gelungen, die Objekte zu identifizieren, von denen die Gamma-Bursts ausgehen.

Mitte der achtziger Jahre hatte sich bei den Astronomen so etwas wie ein Konsens über den Ursprung dieser seltsamen Strahlungsausbrüche herausgebildet. Demnach sollten sie als Folge einer heftigen Störung auf oder in der unmittelbaren Nähe eines Neutronensterns auftreten. Ein solch kompaktes Objekt aus Kernmaterie ist der zentrale Überrest einer Supernova-Explosion. Wegen des enormen Drucks in seinem Inneren – die Schwerkraft würde die Materie der Sonne zu einer Neutronenkugel von nur etwa 20 Kilometern Durchmesser zusammenziehen – reicht bereits die geringste Störung wie ein seismisches Beben oder der Einschlag eines kleinen Asteroiden aus, um eine gewaltige Energiemenge freizusetzen und damit unter Umständen einen Gammastrahlungsblitz auszulösen.

Die Wissenschaftler hofften, daß GRO diese Standard-Vorstellung bestätigen und das Rätsel der Gamma-Bursts lösen würde. An Bord dieses Satelliten befindet sich ein Meßinstrument namens BATSE (Burst and Transient Source Experiment), das den gesamten Himmel überwacht, um kurzzeitige Gammapulse zu erfassen. Falls die Bursts tatsächlich mit Neutronensternen assoziiert sind, hätte man die schwächsten von ihnen entlang der galaktischen Ebene erwartet, in der auch die schwachleuchtenden, aber zahlreichen Sterne des Milchstraßenbandes verteilt sind.

Zur allgemeinen Verwunderung ergab BATSE, daß schwache Bursts ebenso wie die helleren gleichmäßig über den gesamten Himmel verstreut sind (Bild 6). Noch rätselhafter ist, daß die schwachen Bursts weit weniger zahlreich sind als erwartet – ein Hinweis darauf, daß die Quellen in einem kugelförmigen, aber endlichen Volumen verteilt sind. Und im Gegensatz zu früheren Experimenten registrierte BATSE nicht die Form von Gamma-Spektren, die man von Neutronensternen erwarten würde.

Quasi über Nacht war damit das Neutronenstern-Modell in Frage gestellt, und die Theoretiker mußten alternative Erklärungen finden. Doch nicht für jeden kam diese Wende überraschend. „Von Anfang an war alles Spekulation gewesen“, meint Bohdan Paczyn´ski von der Universität Princeton (New Jersey) verärgert (Bild 7).

Was könnte es sein, das die Erde mehr oder weniger kugelsymmetrisch umgibt und dennoch endlichen Durchmesser hat? Eine Antwort, die sich sofort aufdrängt: das Universum selbst. In diesem Falle wäre der wahrgenommene Rand in der Verteilung der Gamma-Bursts mit der Grenze des sichtbaren Universums identisch. Paczyn´ski hatte seine Kollegen seit Jahren mit dieser Vorstellung genervt; nun, da die BATSE-Ergebnisse vorliegen, wird sie von der Mehrheit anerkannt.

Die erste zu klärende Frage ist: Wie kann ein Objekt von der Größe des Starnberger Sees, Millionen oder gar Milliarden von Lichtjahren entfernt, im Gammabereich heller strahlen als jedes andere? Was Wunder, wenn Schwarze Löcher ins Spiel kommen.

Paczyn´ski hat eine Hypothese entwickelt, wonach ein Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch kollidiert oder zwei Neutronensterne zu einem Loch verschmelzen. Die anfängliche Kollision sowie Materiereste, die in das Schwarze Loch stürzen, würden einen kurzen, aber sehr intensiven Gammastrahlungsblitz auslösen. Eine solche Vorstellung ist laut Paczyn´ski „mit den Beobachtungsdaten in Einklang“; er fügt aber hinzu, daß sie „dadurch noch nicht bewiesen“ sei.

Bradley E. Schaefer vom Goddard-Zentrum meint, er könne nach einem Tag Nachdenken „acht recht gute Begründungen angeben“, mit denen sich Paczyn´skis Modell widerlegen ließe. Sein schärfster Einwand ist, daß der einfachsten Form dieser Hypothese zufolge bei der Kollision von Neutronensternen ein völlig anderes Gamma-Spektrum entstünde als beobachtet.

Andererseits betont Dermer, daß die Bursts „der von Quasaren emittierten Gammastrahlung erstaunlich ähnlich sehen“. Er bevorzugt darum ein alternatives Modell, wonach ein an sich ruhiges Schwarzes Loch im Zentrum einer unerkannten Galaxie plötzlich einen kompletten Stern gleichsam mit einem einzigen Biß verschluckt. Aber auch hier gibt es ein Problem: Nach Berechnungen von Rees sollte das daraus resultierende Aufleuchten einige Jahre lang anhalten und nicht nur wenige Sekunden.

Paczyn´ski betont jedoch, daß man überhaupt keine Schwarzen Löcher brauche. Falls die Gamma-Bursts nicht in den äußeren Bereichen des Universums ihren Ursprung hätten, könnten die Theoretiker wieder das Neutronenstern-Modell hervorholen, das man vor den BATSE-Messungen favorisiert hatte. Dann müßte man allerdings erklären, warum die Bursts gleichmäßig im Raum verteilt sind. Eine naheliegende Vermutung wäre, daß die Galaxis von einem Halo aus Neutronensternen umgeben ist, dessen Radius mehr als 100000 Lichtjahre beträgt.

Diese Annahme würde freilich sofort eine andere Frage aufwerfen: Wie hätten die Neutronensterne in den Halo gelangen sollen, wo doch sonst keine gewöhnlichen Sterne zu sehen sind? Joseph Silk von der Universität von Kalifornien in Berkeley und David Eichler von der Ben-Gurion-Universität in Beersheva (Israel) bieten dafür eine faszinierende Erklärung an: Bevor die Galaxis zu ihrer heutigen flachen Spiralform kollabierte, könnte eine frühe Population von Sternen existiert haben, deren ausgebrannte Überreste das Milchstraßensystem nun als ausgedehnte Hülle aus Weißen Zwergen umgäben. Hin und wieder würden zwei Weiße Zwerge verschmelzen, wobei sich ein Neutronenstern bildete. Dabei würde jedesmal ein Gammastrahlungsblitz ausgesandt.

Ob eine solche galaktische Hülle aus Weißen Zwergen tatsächlich existiert, könnte in wenigen Jahren geklärt sein, wenn eine mittlerweile begonnene Suche nach massereichen Verdichtungen unsichtbarer – sogenannter dunkler – Materie in der Umgebung des Milchstraßensystems erste Ergebnisse erzielt hat. Prinzipiell jedoch sprechen die Befunde von BATSE eher gegen Vorstellungen, die Gamma-Bursts im galaktischen Halo zu lokalisieren suchen. So hat Jerome James Brainerd vom Marshall-Raumflugzentrum der NASA in Alabama seine Arbeit daran aufgegeben, weil er es schwierig findet, „zum gegenwärtigen Zeitpunkt ein funktionierendes Halo-Modell aufzustellen“.

Manche Forscher hingegen formulieren recht merkwürdige Hypothesen, um das Entstehen der Gamma-Bursts zu erklären. So operiert R.Stephen White von der Universität von Kalifornien in Riverside mit magnetisierten Kometen, die zusammenstoßen; eine Wolke derartiger Objekte um das Sonnensystem ist freilich nicht bekannt. Insgesamt sind in den letzten beiden Jahren mehr als 100 verschiedene Modelle in den Fachzeitschriften unterbreitet worden.

Dieses Rätsel gemahnt daran, daß – trotz ROSAT und GRO – die Astronomen gerade erst mit der Erkundung des Himmels im Hochenergiebereich begonnen haben. Und der Weg vom ersten Aufspüren der seltsamen Quellen, die möglicherweise ein Schwarzes Loch enthalten, bis zu ihrem wirklichen Verständnis ist lang. Paczyn´ski erinnert daran, daß „die Astronomen die Sterne Tausende von Jahren lang beobachtet haben“, bevor sie wußten, warum sie strahlen. „Etwas zu sehen und zu verstehen, warum es da ist“, gibt er zu bedenken „das sind zwei völlig verschiedene Dinge.“


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1993, Seite 66
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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