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Astrophysik: Schwarzes Loch in Schräglage

Ein Schwarzes Loch lässt sich durch seine Masse und Drehgeschwindigkeit charakterisieren. Allerdings könnten etliche frühere Messungen auf falschen Annahmen beruhen, wie neue Beobachtungen zeigen.
Künstlerische Darstellung des binären Systems aus einem Schwarzen Loch mit Akkretionsscheibe und einem Stern

Wenn ein massereicher Stern in einer gewaltigen Supernova verendet, entsteht eines der wohl merkwürdigsten Objekte im Universum: ein Schwarzes Loch. Allerdings gibt es bei dieser Geschichte offenbar noch Unstimmigkeiten, wie eine nun erschienene Publikation in der Fachzeitschrift »Science« zeigt.

Eine Gruppe von Astronomen und Astronominnen um Juri Poutanen vom Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences und dem KTH Royal Institute of Technology in Stockholm haben nämlich ein Exemplar rund 10 000 Lichtjahre von der Erde entfernt vermessen; und das verhält sich nicht so, wie man bislang angenommen hat. Die neue Beobachtung werfe daher Fragen über das derzeitige Verständnis zur Entstehung Schwarzer Löchern auf, schreiben Ferdinando Patat und Michela Mapelli in einer begleitenden Einschätzung zu der Publikation.

Schwarze Löcher haben keine Oberfläche wie ein Planet oder ein Stern; stattdessen handelt es sich um ein Gebiet, in dem die Materie in sich selbst zusammengefallen und auf ein unglaublich winziges Volumen verdichtet ist. Aber wie alle anderen Himmelskörper rotieren Schwarze Löcher um die eigene Achse; charakterisieren lassen sie sich daher vorwiegend mittels zweier Parameter: Masse und Rotationsgeschwindigkeit. Mitunter sind auch die Schwerkraftmonster – wie Planeten und Sterne – Teil einer Konfiguration mehrerer Objekte, die durch die gravitative Anziehung zusammengehalten werden.

So wandern in unserem Sonnensystem etwa die Planeten um das Zentralgestirn oder in einem Doppelsternsystem rotieren zwei Sterne umeinander. Auf ähnliche Weise führt das beobachtete Objekt eine bewegte Partnerschaft mit einem Stern. Eine derartige Konstellation zählt zu den Röntgendoppelsternsystemen, in denen üblicherweise ein Stern einen viel kompakteren Stern umrundet – daher die Bezeichnung. Die Gemeinsamkeit solcher Systeme ist, dass das massereichere Objekt Material von seinem leichteren Begleiter abzieht. Dadurch entsteht eine so genannte Akkretionsscheibe aus Materie, die den Stern oder eben das Schwarze Loch umgibt und Röntgenstrahlung aussendet.

Heftiger Stoß während der Geburt

Ohne äußere Störeinflüsse sind die Rotationsachsen in Doppelsternsystemen üblicherweise zueinander parallel ausgerichtet und stehen senkrecht zur Ebene der orbitalen Umlaufbahn. Dies sollte auch für vergleichsweise exotische Systeme wie das in der Publikation beschriebene Röntgendoppelsternsystem mit dem Kürzel MAXI J1820+070 gelten, so die Annahme. Entdeckt wurde das System mittels Röntgenmessungen des MAXI-Imager an Bord der internationalen Raumstation und des All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN); dahinter steckt ein automatisiertes Programm der Ohio State University zur Suche nach neuen Sternexplosionen und anderen astronomischen Ereignissen.

Das neu vermessene Schwarze Loch dreht sich allerdings um eine Achse, die um mindestens 40 Grad von der erwarteten Orientierung abweicht. Das ergab die Analyse seiner Jets – jener ionisierten Materie, die entlang der Achse strahlenförmig herausgeschleudert wird. Indem man diese neuen Messdaten mit älteren Datensätzen kombinierte, ließ sich die Ausrichtung der Akkretionsscheibe bestimmen und schließlich diejenige der Drehachse. Offenbar kam es also bei der Supernova zu einem stark asymmetrischen Auswurf von Materie, wodurch das neugeborene Schwarze Loch einen heftigen Stoß abbekam. Dieser hat das Objekt buchstäblich in Schräglage versetzt.

Tatsächlich ist ein solcher »natal kick«, wie Astronomen im Englischen salopp sagen – also wenn man so will ein »Geburtsstoß« – , nichts Unbekanntes. Im Extremfall kann er sogar die Partnerschaft des Doppelsternsystems zerstören. In Fällen, in denen die Bindung die Explosion überlebt, nähern sich ihre Rotationsachsen jedoch auf Grund der Massenakkretion und Gezeitenkräften kontinuierlich aneinander an. Demzufolge könnte der Versatz direkt nach der Geburt des Schwarzen Lochs sogar noch größer gewesen sein. Trotz des Wissens um den »Geburtsstoß« ist eine solche starke Verschiebung der Rotationsachse um 40 Prozent überraschend und lässt sich mit bisherigen theoretischen Vorhersagen nicht vereinbaren.

Standardmäßig werden charakteristische Eigenschaften wie Masse und Drehgeschwindigkeit von Schwarzen Löchern anhand von Röntgenbeobachtungen bestimmt. Allerdings geht man in der Regel davon aus, dass die Achsenausrichtung nicht oder nur kaum von der erwarteten abweicht. Sollten also auch andere Schwarze Löcher in Röntgendoppelsternsystemen ähnlich große Schräglagen aufweisen, würde dies die Messungen der Masse und des Spins von Schwarzen Löchern aus Röntgenbeobachtungen verfälschen, schreiben die Autoren. Etliche Exemplare könnten damit falsch charakterisiert sein. Künftig sollte daher der Ausrichtungswinkel bei der Bestimmung von Masse und Spin eines Schwarzen Lochs als freier Parameter behandelt werden, empfehlen die Autoren.

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