Astrophysik: Unerklärlich wenig anziehend
Wenn heiße Gasscheiben um Schwarze Löcher ins Nichts abstürzen, dann wird dabei effektiver Materie in Energie umgewandelt als irgendwo sonst. Nur komisch, dass solche Gasscheiben überhaupt erst entstehen - und bleiben.
© Max-Planck-Gesellschaft (Ausschnitt)
Eigentlich ist doch alles klar: Schwarze Löcher, die aus ausgebrannten, kollabierten Sternen entstandenen Massemonster mit Riesenappetit, ziehen per ureigener Megagravitation sämtliche Materie in ihrer Umgebung unwiderstehlich an. Und also verschwinden alle herbei gezerrten Partikel des Umkreises geradewegs im Schlund hinter dem Ereignishorizont und zerstrahlen zu Energie.
Ach ja? Nun sind aber Schwarze Löcher nicht immer einsame Allesfresser in einem ratzeputz leergefutterten Umgebungsraum – eher im Gegenteil. Ein beispielhaftes Objekt nennt sich etwa GRO J1655-40. Es besteht nicht nur aus einem eher kleinen Schwarzen Loch von etwa sieben Sonnenmassen, sondern auch noch aus einem ganz normalen Stern, der mit seinem schwarzen Begleiter um einen gemeinsamen Gravitations-Schwerpunkt herumtanzt. Eben ein typisches binäres System wie ungezählte andere im Universum.
Warum aber ist der Stern überhaupt noch da – und nicht längst im Schwarzen Schlund zerstrahlt, wo dieses doch alles einfach verschlingen sollte? Und damit noch nicht genug an mysteriöser Gesellschaft des Schwarzen Loches: Zwar reißt seine wütende Schwerkraft ab und an Fetzen solaren Gases aus der Flanke des Begleitsterns – auch diese aber verschwinden mitnichten schnurstracks im Schlund, sondern umkreisen vielmehr recht zahlreich und dauerhaft in einer geselligen Akkretionsscheibe das zerrende schwarze Zentrum. Welche Kraft hält sie hier überhaupt?
Moment. Das ist nun wirklich ganz klar, schon Kepler und Newton haben es den Physik-Lernwilligen erklärt: Es ist die Fliehkraft. Akkretionsscheiben um Gravitationszentren sind im Prinzip nichts anderes als Planeten – oder vielleicht eher Asteroidengürtel – um Sonnen. Asteroid, Planet oder Teilchen aber haben kinetische Energie, also eine im reibungslosen All gleich bleibende Geschwindigkeit im Raum. Sie werden daher, so sie von der Schwerkraft gepackt werden, stets nur ab- und in eine Kreisbahn um das anziehende Zentrum gelenkt. In dieser durch Zentrifugal- und -petalkraft bestimmten Kreisbahn bleiben sie dann – wie die Planeten um die Sonne oder die Gasatome in der Akkretionsscheibe. Die Himmelsmechanik lehrt: Der Bahndrehimpuls solcher Teilchen bleibt erhalten (näheres siehe Kepler, Georg; Zweites Gesetz).
Äh, noch einmal Moment. Das hieße dann also, dass überhaupt nichts Bewegt-kreisendes in ein Schwarzes Loch abstürzen würde? Ist doch Blödsinn! Und zwar, erklären Astrophysiker, weil der Akkretionsscheibe nach und nach Energie entzogen wird – die dann nicht mehr eingesetzt werden kann, um den Schwerkraftsog auszugleichen, woraufhin doch Gasmaterie den finalen Weg alles Außerirdischen ins Schwarze Loch antritt. An dieser Stelle wird es nun aber alles andere als einfach, wie die Astronomen schon vor geraumer Zeit einräumen mussten. Ihre komplizierte Frage: Wodurch genau verlieren die um das Schwarze Loch akkretierten Teilchen Energie?
Die Antwort, die sie bislang fanden, stellt nicht wirklich zufrieden: Durch "viskose Dämpfungsprozesse" in der Akkretionsscheibe – vereinfacht gesagt, kollisionsfördernde Verwirbelung der Gasmaterie – wird die mechanische Energie der Teilchen zerstreut und als Strahlung in allen Wellenlängenbereichen emittiert. Wie genau diese Umwandlung in Wärme und Strahlungsenergie vonstatten geht, ist noch vager verstanden – genau der richtige Zeitpunkt für Jon Miller von der Universität von Michigan und seine Kollegen, ein paar aufklärende Untersuchungen durchzuführen. Die Astronomen richteten daher das Chandra-Röntgenteleskop auf das Objektpärchen GRO J1655-40 und schnitzen mit Hilfe der Beobachtungen an einer Theorie.
Auffällig fand Millers Team zunächst einmal, dass mehrere Absorptionslinien des GRO -J1655-40-Spektrums etwas kürzere Wellenlängen aufwiesen, als sie sollten – ein "Blueshift", der darauf hindeutet, dass die gemessenen Teilchen sich auf den Beobachter zu bewegen. Dies ließ mit wenig Modellierungsarbeit den Schluss zu, dass eine unbekannte Brise – nicht identisch mit dem Sonnenwind des Sterns – Gasteilchen aus der Akkretionsscheiben-Ebene plan nach auswärts verbläst. Genau nach so etwas ist ja immer gesucht worden: Es ist der abgestrahlte und verblasene Teil, welcher der Akkretionsscheibe Schwung, also Energie raubt und somit zum Ausgleich einen Teil zum Absturz ins Schwarze Loch verurteilt.
Bleibt nur die Frage, wodurch dieser Wind eigentlich entsteht. Theoretisch kommen drei Verwirbelungen fördernde, Wind produzierende Kräfte in Frage – Wärme, Strahlungsdruck und Magnetismus –, aber Miller und Kollegen glauben zwei davon im ungewöhnlich glücklichen Fall GRO J1655-40 ausschließen zu können. Zum ersten sei der Wind, also die mitgeführten Partikel, sehr kalt, weswegen ein Aufheizen der Akkretionsscheibe als Blasebalg ausfällt. Aber auch der Strahlungsdruck kann kaum die Schwerkraftwirkung so deutlich übertreffen, dass Partikel auswärts geblasen werden, so die Wissenschaftler nach Analysen ihrer Daten.
Und daher bleibt nur Magnetismus als Ursache übrig: Die Feldlinien – vielleicht entstehen sie in dem vom Schwarzen Loch angeknabberten Stern – führen also zu den Turbulenzen in der Akkretionsscheibe, die dann den auswärts blasenden Wind fördern und damit den Verlust an Energie und Bahndrehimpuls führen. Dass gerade Magnetfelder nachweislich die Akkretionsscheibe um Schwarze Löcher durcheinander wirbeln, passt übrigens einigen Astro-Modelltheoretikern genau ins Konzept: Schließlich werden seit schon fast 20 Jahren Magnetfelder auch verdächtigt, die Ausbildung von Akkretionsscheiben erst möglich zu machen. Und so haben die Beobachtungen von Miller vielleicht gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen. Obwohl, Moment: Wie genau können Magnetfelder erst Ursache der Bildung der Scheibe sein – und dann wieder dafür sorgen, dass sie sich nach und nach wieder zerlegt? Diese Antwort liegt – bis jemand genau hinschaut – noch irgendwo da draußen.
Ach ja? Nun sind aber Schwarze Löcher nicht immer einsame Allesfresser in einem ratzeputz leergefutterten Umgebungsraum – eher im Gegenteil. Ein beispielhaftes Objekt nennt sich etwa GRO J1655-40. Es besteht nicht nur aus einem eher kleinen Schwarzen Loch von etwa sieben Sonnenmassen, sondern auch noch aus einem ganz normalen Stern, der mit seinem schwarzen Begleiter um einen gemeinsamen Gravitations-Schwerpunkt herumtanzt. Eben ein typisches binäres System wie ungezählte andere im Universum.
Warum aber ist der Stern überhaupt noch da – und nicht längst im Schwarzen Schlund zerstrahlt, wo dieses doch alles einfach verschlingen sollte? Und damit noch nicht genug an mysteriöser Gesellschaft des Schwarzen Loches: Zwar reißt seine wütende Schwerkraft ab und an Fetzen solaren Gases aus der Flanke des Begleitsterns – auch diese aber verschwinden mitnichten schnurstracks im Schlund, sondern umkreisen vielmehr recht zahlreich und dauerhaft in einer geselligen Akkretionsscheibe das zerrende schwarze Zentrum. Welche Kraft hält sie hier überhaupt?
Moment. Das ist nun wirklich ganz klar, schon Kepler und Newton haben es den Physik-Lernwilligen erklärt: Es ist die Fliehkraft. Akkretionsscheiben um Gravitationszentren sind im Prinzip nichts anderes als Planeten – oder vielleicht eher Asteroidengürtel – um Sonnen. Asteroid, Planet oder Teilchen aber haben kinetische Energie, also eine im reibungslosen All gleich bleibende Geschwindigkeit im Raum. Sie werden daher, so sie von der Schwerkraft gepackt werden, stets nur ab- und in eine Kreisbahn um das anziehende Zentrum gelenkt. In dieser durch Zentrifugal- und -petalkraft bestimmten Kreisbahn bleiben sie dann – wie die Planeten um die Sonne oder die Gasatome in der Akkretionsscheibe. Die Himmelsmechanik lehrt: Der Bahndrehimpuls solcher Teilchen bleibt erhalten (näheres siehe Kepler, Georg; Zweites Gesetz).
Äh, noch einmal Moment. Das hieße dann also, dass überhaupt nichts Bewegt-kreisendes in ein Schwarzes Loch abstürzen würde? Ist doch Blödsinn! Und zwar, erklären Astrophysiker, weil der Akkretionsscheibe nach und nach Energie entzogen wird – die dann nicht mehr eingesetzt werden kann, um den Schwerkraftsog auszugleichen, woraufhin doch Gasmaterie den finalen Weg alles Außerirdischen ins Schwarze Loch antritt. An dieser Stelle wird es nun aber alles andere als einfach, wie die Astronomen schon vor geraumer Zeit einräumen mussten. Ihre komplizierte Frage: Wodurch genau verlieren die um das Schwarze Loch akkretierten Teilchen Energie?
Die Antwort, die sie bislang fanden, stellt nicht wirklich zufrieden: Durch "viskose Dämpfungsprozesse" in der Akkretionsscheibe – vereinfacht gesagt, kollisionsfördernde Verwirbelung der Gasmaterie – wird die mechanische Energie der Teilchen zerstreut und als Strahlung in allen Wellenlängenbereichen emittiert. Wie genau diese Umwandlung in Wärme und Strahlungsenergie vonstatten geht, ist noch vager verstanden – genau der richtige Zeitpunkt für Jon Miller von der Universität von Michigan und seine Kollegen, ein paar aufklärende Untersuchungen durchzuführen. Die Astronomen richteten daher das Chandra-Röntgenteleskop auf das Objektpärchen GRO J1655-40 und schnitzen mit Hilfe der Beobachtungen an einer Theorie.
Auffällig fand Millers Team zunächst einmal, dass mehrere Absorptionslinien des GRO -J1655-40-Spektrums etwas kürzere Wellenlängen aufwiesen, als sie sollten – ein "Blueshift", der darauf hindeutet, dass die gemessenen Teilchen sich auf den Beobachter zu bewegen. Dies ließ mit wenig Modellierungsarbeit den Schluss zu, dass eine unbekannte Brise – nicht identisch mit dem Sonnenwind des Sterns – Gasteilchen aus der Akkretionsscheiben-Ebene plan nach auswärts verbläst. Genau nach so etwas ist ja immer gesucht worden: Es ist der abgestrahlte und verblasene Teil, welcher der Akkretionsscheibe Schwung, also Energie raubt und somit zum Ausgleich einen Teil zum Absturz ins Schwarze Loch verurteilt.
Bleibt nur die Frage, wodurch dieser Wind eigentlich entsteht. Theoretisch kommen drei Verwirbelungen fördernde, Wind produzierende Kräfte in Frage – Wärme, Strahlungsdruck und Magnetismus –, aber Miller und Kollegen glauben zwei davon im ungewöhnlich glücklichen Fall GRO J1655-40 ausschließen zu können. Zum ersten sei der Wind, also die mitgeführten Partikel, sehr kalt, weswegen ein Aufheizen der Akkretionsscheibe als Blasebalg ausfällt. Aber auch der Strahlungsdruck kann kaum die Schwerkraftwirkung so deutlich übertreffen, dass Partikel auswärts geblasen werden, so die Wissenschaftler nach Analysen ihrer Daten.
Und daher bleibt nur Magnetismus als Ursache übrig: Die Feldlinien – vielleicht entstehen sie in dem vom Schwarzen Loch angeknabberten Stern – führen also zu den Turbulenzen in der Akkretionsscheibe, die dann den auswärts blasenden Wind fördern und damit den Verlust an Energie und Bahndrehimpuls führen. Dass gerade Magnetfelder nachweislich die Akkretionsscheibe um Schwarze Löcher durcheinander wirbeln, passt übrigens einigen Astro-Modelltheoretikern genau ins Konzept: Schließlich werden seit schon fast 20 Jahren Magnetfelder auch verdächtigt, die Ausbildung von Akkretionsscheiben erst möglich zu machen. Und so haben die Beobachtungen von Miller vielleicht gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen. Obwohl, Moment: Wie genau können Magnetfelder erst Ursache der Bildung der Scheibe sein – und dann wieder dafür sorgen, dass sie sich nach und nach wieder zerlegt? Diese Antwort liegt – bis jemand genau hinschaut – noch irgendwo da draußen.
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