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Schwarze Löcher: Pulsierende Verwandschaft

Es gibt sie vermutlich in groß und klein und vielleicht auch in mittel: Schwarze Löcher. Aber sind die verschiedenen Ausführungen auch miteinander verwandt? Zahlreiche Eigenschaften, die den Zwergen zu eigen sind, finden sich jedenfalls auch bei den Riesen. Nur Röntgenpulse schienen Letztere nicht auszusenden. Nach jahrelanger Suche widerlegen Astronomen nun endlich diesen vermeintlichen Unterschied.
Auch wenn ihre Existenz bislang nur ein Indizienbeweis ist, studieren Wissenschaftler Schwarze Löcher seit Jahrzehnten – in Theorie und Praxis. Zwar sind die Massemonster selbst nicht sichtbar – wie ihr Name schon sagt – aber ihr gewaltsamer Einfluss auf das Umfeld ist es sehr wohl. Durch die enorme Gravitationskraft angezogenes Gas rotiert in einem torusförmigen Ring um den gierigen Schlund und wird dabei auf einige Millionen Grad Celsius aufgeheizt.

Ein Schwarzes Loch produziert Röntgenstrahlen in seiner Umgebung | Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Loches. Material der torusförmigen Gas- und Staubwolke um das Zentrum einer Galaxie wird hier in Richtung des Schwarzen Loches gezogen. Der Löwenanteil des Gases konzentriert sich in einer schnell rotierenden Scheibe um das Zentrum, deren Corona oder Atmosphäre sich stellenweise bis auf einige Milliarden Grad Celsius erhitzen kann. Bei Kollisionen von Photonen niedrigerer Energieniveaus entstehen dort auch die hochenergetische Röntgenwellen, die etwa mit Chandra und XMMS-Newton auf der Erde zu messen sind.
Dadurch beginnt es im Röntgenlicht zu leuchten und verrät sich in den Teleskopen der Astronomen. Dieses Bild beobachten sie sowohl bei den aus Sternen geborenen Schwarzen Löchern mit rund zehn Sonnenmassen, die von einem Begleitstern beständig Masse absaugen, als auch bei den gigantischen Exemplaren in Galaxienkernen. Die meisten Sternsysteme, einschließlich der Milchstraße, besitzen vermutlich so ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum – Millionen bis Milliarden Mal schwerer als diejenigen in Doppelsystemen.

Dennoch haben die scheinbar unterschiedlichen Objekte neben ihrer extremen Dichte noch viele weitere Gemeinsamkeiten. In beiden Fällen schießen bisweilen energiegeladene Partikelstrahlen aus den Akkretionsscheiben, zudem stimmen verschiedene Merkmale in den Emissionsspektren sowie charakteristische Verhaltensweisen überein. Eine Eigenschaft schien jedoch den stellaren Schwarzen Löchern vorbehalten: Schnelle und nahezu periodische Röntgenpulse. Und obwohl die potenzielle Verwandtschaft ansonsten eine ähnliche Röntgenemission aufweist, blieb die Suche nach derartigen Signalen hier seit gut 20 Jahren erfolglos.

Supermassereiches Schwarzes Loch | Diese Illustration zeigt, wie Material in ein supermassereiches Schwarzes Loch stürzt. Außerdem ist die durchschnittliche Form des periodischen Röntgensignals von RE J1034+396 dargestellt.
Zwar fanden Astronomen zahlreiche Hinweise, doch den ersten überzeugenden Beleg liefern jetzt Forscher um Marek Gierlinski von der Durham University. Sie wiesen eindeutig starke Röntgenpulse aus dem Zentrum der 500 Millionen Lichtjahre von uns entfernten Galaxie RE J1034+396 nach. Mit Hilfe des Satelliten XMM-Newton gelang es ihnen, 16 der rund eine Stunde andauernden Oszillationszyklen aufzunehmen.

Die Wissenschaftler haben damit zwar einmal mehr die Ähnlichkeit zwischen den Leicht- und Schwergewichten unter Beweis gestellt. Doch bislang weiß leider niemand, wie und wo die Röntgenpulse genau entstehen. Bei den Doppelsystemen aus Schwarzem Loch und gewöhnlichem Stern kommen die Perioden jedenfalls in einer großen Bandbreite vor. Ob ein Pulstyp womöglich dem nun entdeckten entspricht, können die Forscher aber noch nicht sagen. Denn die tatsächliche Frequenz des Signals hängt von der Masse eines Schwarzen Lochs ab und für RE J1034+396 ist diese nicht genau bekannt.

Stellares Schwarzes Loch | Zeichnung eines stellaren Schwarzen Lochs, das von seinem Begleitstern Masse abzieht. Dabei formt sich eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch.
Nichtsdestotrotz bringt der pulsierende Gigant einen entscheidenden Vorteil gegenüber seinen kleinen Geschwistern: Seine Pulse sind viel langsamer und damit können die Astronomen bei jedem Zyklus mehr Photonen einfangen – so wird es möglich, die Oszillationen quasi in Zeitlupe zu untersuchen. Und vielleicht zu verstehen, wie sich das Gas verhält, bevor es auf Nimmerwiedersehen verschwindet und das Massemonster wachsen lässt.

Natürlich wäre es wünschenswert noch weitere Galaxienkerne mit pulsierender Röntgenemission aufzuspüren. Doch bisher sind den Astronomen trotz vergleichbarer Daten von anderen Systemen, keine untergekommen. Möglicherweise liegt das daran, spekulieren Gierlinski und seine Kollegen, dass RE J1034+396 einen außergewöhnlich aktiven Kern besitzt: Enorm viel Materie wird enorm schnell in Richtung des Schwarzen Lochs gesaugt.

Vielleicht hatten sie aber auch einfach nur sehr viel Glück, da die gepulste Röntgenemission nur temporär auftritt. Auf jeden Fall dürfte es wohl nicht einfach werden, weitere Exemplare aufzuspüren. Es scheint fast, als wollte die Familie der Schwarzen Löcher ihr Privatleben für sich behalten.

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  • Quellen
Gierlinski, M. et al.: A periodicity of 1 hour in X-ray emission from the active galaxy RE J10341+396. In: Nature, 455, S. 369–371, 2008.

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