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Verbogene Lichtstrahlen: Erster Blick direkt hinter ein Schwarzes Loch

Röntgenblitze demonstrieren einen bisher nur theoretisch berechneten Effekt der Relativitätstheorie. Lichtstrahlen können tatsächlich um ein Schwarzes Loch herum gekrümmt werden.
Illustration der Reflexion eines Röntgenblitzes an der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Loches.

Zwei Weltraumteleskope haben eine der exotischsten Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt. Wie eine Arbeitsgruppe um Dan Wilkins von der Stanford University nun in »Nature« berichtet, fingen die Satelliten NuSTAR und XMM-Newton Strahlung auf, die direkt hinter einem Schwarzen Loch freigesetzt wurde. Das äußerst massereiche Schwarze Loch im Zentrum einer 800 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie zwang mit seiner Schwerkraft die Photonen auf eine extreme Kurvenbahn, so dass sie das Hindernis elegant umkurvten und es zur Erde schafften.

Das Licht nahm tatsächlich hinter dem Schwarzen Loch seinen Ausgang: Dies weiß man dank der starken Röntgenblitze, die in der direkten Umgebung des Loches ihren Ursprung haben und an der Gas- und Staubscheibe rund um das Schwarze Loch reflektiert werden. Anhand der Eigenschaften der reflektierten Strahlung zeigte das Team, dass sie von allen Bereichen dieser Akkretionsscheibe ausgeht – auch vom Bereich direkt hinter dem Schwarzen Loch.

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt Folgendes voraus: Die Raumzeit um Schwarze Löcher wird so extrem verzerrt, dass sogar Regionen direkt hinter diesen Objekten sichtbar sein können. Doch direkt nachgewiesen wurde das bisher nicht. Solche sehr stark gravitativ gebeugte Strahlung legt einen längeren Weg zurück und ist durch die Schwerkraft zu höheren Wellenlängen verschoben. Dadurch kommt das von den verschiedenen Bereichen der Akkretionsscheibe reflektierte Röntgenlicht zu unterschiedlichen Zeiten an und hat auch unterschiedliche Farben. Letztere lassen sich sehr präzise bei Röntgenlicht einer bestimmten Wellenlänge erkennen, das Eisenatome aussenden, wenn sie von harter Strahlung zum Leuchten angeregt werden.

Die Arbeitsgruppe untersuchte die genaue Struktur dieser Eisen-K-Linie der Röntgenblitze. Während der ursprüngliche Röntgenblitz, ausgelöst durch »Kurzschlüsse« von Magnetfeldlinien im Plasma nahe dem Schwarzen Loch, nachlässt, zeigt die Lichtkurve ein Flackern mehrerer kurzer Nachblitze. Die ersten von ihnen sind durch den Dopplereffekt zum kurzwelligen Bereich des Spektrums verschoben und stammen von jenem Teil der Scheibe, die sich auf den Betrachter zubewegt; korrespondierende Blitze stammen vom sich wegbewegenden Teil. Die Lichtstrahlen vom Teil der Scheibe direkt hinter dem Schwarzen Loch machen sich dadurch bemerkbar, dass die Eisen-K-Linie durch die Gravitationslinse des Schwarzen Lochs plötzlich heller wird und dabei mit der Zeit immer langwelliger. Dieses spezielle Muster sei durch keinen anderen Mechanismus zufrieden stellend zu erklären als eben dadurch, dass die Strahlung gemäß den Vorhersagen der Relativitätstheorie im extremen Gravitationsfeld gekrümmt wird, schreibt das Team.

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