Bisher tiefster Blick in Schwarzes Loch dank Röntgenechos

Mit einer Messtechnik, die der Echoortung ähnelt, konnten Astronomen die Region rund um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs detailliert vermessen.Mittwoch, 22. Januar 2020

Es war eine enorme Leistung, welche die Welt 2019 für einen Moment den Atem anhalten ließ: Forscher enthüllten die allererste Aufnahme eines Schwarzen Lochs. Zum ersten Mal konnte die Menschheit in den Rachen eines solchen kosmischen Ungetüms blicken. Nun haben Astronomen eine andere Technik genutzt, um einen noch genaueren Blick auf die Gravitationsschwergewichte zu werfen.

Das Schwarze Loch im Fokus der Aufmerksamkeit befindet sich inmitten einer Galaxie namens IRAS 13224-3809 in etwa einer Milliarde Lichtjahre Entfernung. Das supermassereiche Objekt ist von einer wirbelnden Scheibe aus heißer Materie und einer noch heißeren Röntgenkorona umgeben. Indem die Forscher dokumentieren, wie sich die Röntgenstrahlen verhalten, können sie eine außergewöhnlich detailreiche Karte der Region rund um den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs anfertigen. Jenseits dieses Horizonts kann selbst Licht der Anziehungskraft des Objekts nicht mehr entkommen, weshalb rein optische Beobachtungen nicht möglich sind.

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Im Zentrum unserer Galaxie lauert ein Supermassereiches Schwarzes Loch. Erfahrt mehr über die verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern, ihre Entstehung und ihre Geschichte in der Wissenschaft.

„Das Schwarze Loch selbst strahlt keinerlei Licht ab. Wir können es also nur untersuchen, indem wir beobachten, wie sich Materie verhält, wenn sie hineinfällt“, erklärt William Alston von der University of Cambridge. Sein Team hat diese Beobachtungen im Fachmagazin „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Ihre Messungen sind noch genauer als jene, die das Event Horizon Telescope – welches 2019 das Bild des Schwarzen Lochs machte – von einem so weit entfernten Objekt machen könnte. Die neuen Daten vom Schwarzen Loch in IRAS 13224-3809 halfen den Forschern dabei, seine Masse und seine Rotation zu bestimmen. Diese Eigenschaften können weitere Hinweise auf die Entstehungsgeschichte des Objekts liefern. Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, ähnliche Messungen noch bei weiteren supermassereichen Schwarzen Löchern in der Nähe anzustellen, könnten sie mehr darüber erfahren, wie Galaxien wachsen.

„Wenn wir die Verteilung der Rotationseigenschaften von Schwarzen Löchern und möglichst vielen Galaxien kennen, sagt uns das etwas darüber, wie wir vom frühen Universum zu der heutigen Verteilung gelangt sind“, so Alston.

Eine Karte aus Röntgenechos

Trotz ihres unscheinbaren Namens ist IRAS 13224-3809 eine der spannendsten Galaxien am Nachthimmel: Sie verfügt über einen aktiven Galaxiekern. Ihre innerste Region strahlt also heller, als es sich durch die bloße Anwesenheit von Sternen erklären lassen würde. Noch dazu fluktuiert ihre Helligkeit um den Faktor 50, manchmal sogar im Laufe nur weniger Stunden. Alston und seine Kollegen wählten diese spezielle Galaxie aus, weil sie eine dynamische, fluktuierende Quelle wollten, die ihnen dabei helfen kann, die spezifischen Eigenschaften des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum zu bestimmen.

Dafür untersuchten Alston und seine Kollegen IRAS 13224-3809 mit Hilfe des ESA-Weltraumobservatoriums XMM-Newton. Dieses Teleskop im Erdorbit erforscht den Kosmos im Röntgenbereich und richtete seinen Blick bei 16 Erdumrundungen (zwischen 2011 und 2016) insgesamt über 550 Stunden lang auf die entfernte Galaxie.

Aus dem gewaltigen Datensatz erstellten Alston und seine Kollegen eine Karte von der Röntgenkorona und der Akkretionsscheibe des supermassereichen Schwarzen Lochs – jener rotierenden Materie außerhalb des Ereignishorizonts. Einige der emittierten Röntgenstrahlen schießen direkt in den Kosmos, während andere auf die Akkretionsscheibe treffen und daher etwas länger benötigen, um die direkte Umgebung des Schwarzen Lochs zu verlassen.

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„Diese zusätzliche Länge des Wegs sorgt für einen Zeitverzug der Röntgenstrahlen, die ursprünglich aus der Korona stammen“, erklärt Alston. „Wir können dieses Echo messen, diese Verzögerung – das Bezeichnen wir als Reverberation.“

Mit dieser Technik, dem Reverberation Mapping, können die Wissenschaftler die gasförmige Materie rund um das Schwarze Loch abtasten. Alston vergleicht den Prozess mit der Echoortung. Tiere wie Fledermäuse senden dabei Schallwellen aus, die an Objekten abprallen und zurückgeworfen werden. Mit diesen Informationen navigieren die Fledermäuse in der Luft. Und im Gegensatz zu dem Prozess, mit dem das Event Horizon Telescope das Bild eines nahegelegenen Schwarzen Lochs erstellte, können Forscher mit dem Reverberation Mapping weit entfernte Objekte untersuchen.

„Das Reverberation Mapping ist nicht auf eine räumliche Auflösung angewiesen“, sagt Misty Bentz von der Georgia State University. Sie nutzt dieselbe Technik, um ferne Schwarze Löcher zu erforschen. „Stattdessen werden Lichtechos im Objekt selbst genutzt, um mehr über dessen Strukturen zu erfahren – selbst wenn sie sehr klein und sehr weit weg sind.“

Rotationsmessungen

Die gemessenen Lichtechos von IRAS 13224-3809 erlaubten es Alston und seinem Team, die genaue Anordnung des Materials rund um das Schwarze Loch zu bestimmen – darunter auch die Ausmaße der Röntgenkorona. Mit diesen Informationen konnte das Team dann die Masse und Rotation des Schwarzen Lochs bestimmen – zwei Eigenschaften, die zumindest auf einer für Menschen relevanten Zeitskala nicht fluktuieren.

„Um die Masse und Rotation des Schwarzen Lochs zu messen, müssen wir genau wissen, wo sich das Gas befindet, ehe es ins Schwarze Loch fällt“, sagt Alston. Wissenschaftler haben diese Technik schon früher genutzt, um supermassereiche Schwarze Löcher zu erforschen – aber die Observationen waren nicht so langfristig und die Quelle nicht so unbeständig, wie es bei IRAS 13224-3809 der Fall war.

Anhand der neuen Messungen kam das Team zu dem Schluss, dass das supermassereiche Schwarze Loch ungefähr so viel Masse enthält wie zwei Millionen Sonnen und dass es sich fast so schnell dreht, wie es überhaupt möglich ist, ohne dabei die Gesetze der Physik zu brechen. Bentz, die an der Studie nicht beteiligt war, lobt die enorm überzeugenden Beobachtungen der Autoren.

„Sie haben dasselbe Experiment 16 Mal durchgeführt – also bedeutend öfter als frühere Studien“, so Bentz. „Das hat ihnen wirklich dabei geholfen, die unveränderlichen Faktoren zu finden.“

Der Galaxiegeschichte auf der Spur

Wahrscheinlich befindet sich im Zentrum jeder großen Galaxie des Universums ein supermassereiches Schwarzes Loch. Wenn sich herausfinden ließe, wie diese zentralen Anker rotieren, könnte das Hinweise darauf liefern, wie sie selbst und ihre Galaxien sich seit dem Beginn des Universums geformt und verändert haben.

„Eines der Dinge, die wir nicht wissen, ist, wie supermassereiche Schwarze Löcher entstehen“, sagt Alston. „Aus welchen Samen des frühen Universums sind sie gewachsen? Die meisten unserer Modelle deuten derzeit auf Ursprünge hin, die eigentlich zu klein sind und nicht schnell genug wachsen können.“

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Eine Möglichkeit der Galaxiebildung könnte sich abspielen, wenn mehrere kleine Galaxien kollidieren und verschmelzen. Dabei vereinen sich auch ihre zentralen Schwarzen Löcher. Wenn solche Kollisionen chaotisch ablaufen, könnte das nicht nur die gewaltige Masse der großen Schwarzen Löcher erklären, sondern auch ihre Rotation, so Alston.

Schwarze Löcher könnten auch durch einen steten Zustrom an Gasen wachsen. In diesem Fall könnte die daraus entstehende Rotationsgeschwindigkeit höher sein, wie es auch bei IRAS 13224-3809 der Fall ist. Alston zufolge ist es aber noch zu früh, um zu schlussfolgern, dass diese Galaxie ihre Masse durch diesen Mechanismus angesammelt hat.

Er und seine Kollegen würden mit dem Reverberation Mapping auf lange Sicht gern die Rotation – und damit die Entstehungsgeschichte – hunderter supermassereicher Schwarzer Löcher in der kosmischen Nachbarschaft bestimmen. Anhand der Entfernungen dieser Schwarzen Löcher könnten die Wissenschaftler dann herausfinden, wie die Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums gewachsen sind.

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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