„Dunkles Einhorn“: Das bisher kleinste und erdnächste Schwarze Loch?

Wie klein kann ein Schwarzes Loch sein? Seit mehreren Jahrzehnten arbeiten Astronomen an der Beantwortung dieser Frage, indem sie die Schwarzen Löcher in unserer Ecke des Universums katalogisieren.

Sie haben im Laufe der Jahre viele große und mittelgroße Exemplare gefunden – einschließlich eines supermassereichen Giganten im Herzen unserer Galaxie. Aber bis vor kurzem gab es keinerlei Anzeichen für kleine Schwarze Löcher, was für die Astrophysik ein Rätsel war.

Nun haben Astronomen ein Schwarzes Loch mit der dreifachen Masse der Sonne entdeckt – eines der kleinsten, die je gefunden wurden. Und es ist zufällig auch das räumlich nächste bekannte Schwarze Loch, nur 1.500 Lichtjahre von der Erde entfernt.    

Die Entdeckung „deutet darauf hin, dass es noch viel mehr [kleine Schwarze Löcher] gibt, die wir finden könnten, wenn wir das Volumen des von uns durchsuchten Raums vergrößern würden“, sagt Tharindu Jayasinghe. Der Astronom an der Ohio State University ist der Hauptautor eines neuen Artikels, der die Entdeckung in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ beschreibt. Der Fund „sollte einen Anstoß geben, diese Systeme zu finden“.

Jayasinghe und seine Kollegen tauften das Objekt „Einhorn“ – zum einen, weil es einzigartig ist, und zum anderen, weil es im Sternbild Monoceros gefunden wurde, das von den antiken Astronomen nach dem griechischen Wort für Einhorn benannt wurde. Durch die Untersuchung dieses und anderer ähnlicher Objekte erhoffen sich die Forscher, ein klareres Bild davon zu bekommen, was mit Sternen in den letzten Momenten ihres Lebens passiert: Warum kollabieren einige von ihnen und werden zu Schwarzen Löchern, während andere dichte Sternhüllen zurücklassen, sogenannte Neutronensterne?

Schwarze Löcher: Die Suche nach dem Unsichtbaren

Da kein Licht aus einem Schwarzen Loch entweichen kann, können die Objekte nur auf indirektem Wege nachgewiesen werden. Die meisten bekannten Schwarzen Löcher wurden durch die Suche nach der Röntgenstrahlung gefunden, die ausgesendet wird, wenn das unsichtbare Objekt Material von einem umkreisenden Begleitstern abzieht. Wenn sich dieses Material in einem dichten Ring um das Schwarze Loch aufheizt, der so genannten Akkretionsscheibe, sendet es Strahlung aus, die mit Röntgenteleskopen nachgewiesen werden kann.

Das Einhorn wurde jedoch mit einer anderen Methode gefunden: Das Team um Jayasinghe nutzte Daten von mehreren Observatorien, um periodische Veränderungen in der Helligkeit und im Spektrum des Lichts zu messen, das von einem roten Riesenstern namens V723 Mon ausgeht. Solche Beobachtungen helfen schon seit mehreren Jahrzehnten bei der Suche nach Exoplaneten, die sich oft nur über indirekte Methoden finden lassen.

Das Team schloss, dass ein unsichtbares Begleitobjekt an dem Roten Riesen zieht und ihn in eine Regentropfenform verzerrt. Die Daten geben die kombinierte Masse beider Objekte an. Ist der Stern schwerer, als es die Schätzung des Teams erwarten lassen würde, handelt es sich bei dem unsichtbaren Objekt möglicherweise um einen Neutronenstern. Doch das Team glaubt, dass der Begleiter höchstwahrscheinlich ein kleines Schwarzes Loch ist.

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Obwohl das Einhorn die Form des Roten Riesen verändert, zieht es kein Material von ihm ab. Das bedeutet, dass es keine Akkretionsscheibe und damit keine Röntgenstrahlung gibt, weshalb es bisher auch unbemerkt blieb. Das Fehlen von Röntgenstrahlung bei solch „stillen“ Schwarzen Löchern könnte der Grund dafür sein, warum bisher so wenige dieser kleinen Objekte gefunden wurden.

Schwarze Löcher mit mehr als der fünffachen Masse unserer Sonne scheinen reichlich vorhanden zu sein. Alles unterhalb dieser Massegrenze ist augenscheinlich Mangelware. Astronomen bezeichnen den rätselhaften Mangel an kleinen Schwarzen Löchern als „Massenlücke“.

Bester Kandidat für die Massenlücke

Vor der Entdeckung des Einhorns waren mehrere andere Kandidaten für Schwarze Löcher innerhalb der Massenlücke vorgeschlagen worden. Im Jahr 2019 gab dasselbe Team bekannt, dass sie ein dunkles Objekt gefunden haben, das einen Riesenstern umkreist. Allerdings waren ihre Schätzungen für die Masse des Objekts weniger präzise, und sie konnten lediglich schließen, dass es sich entweder um ein Schwarzes Loch „oder einen unerwartet massereichen Neutronenstern“ handelt.

Letztes Jahr fand ein anderes Team von Astronomen etwas, das sie für ein Mehrfach-Sternsystem etwa 1.100 Lichtjahre von der Erde entfernt halten. Ihrer Meinung nach enthält es ein Schwarzes Loch von etwa vier Sonnenmassen, das zusammen mit zwei Sternen ein System bildet. Sollte das System wirklich ein Schwarzes Loch enthalten, wäre es das erdnächste Objekt dieser Art – aber andere Forschende haben seitdem Zweifel an diesem Fund geäußert.

Weitere aufregende Ergebnisse stammen von Gravitationswellendetektoren wie dem LIGO. Im Jahr 2019 beobachteten Astronomen eine Quelle von Gravitationswellen, bekannt als GW190814, die durch die Kollision zweier Objekte ausgelöst wurde. Das eine wog nur 2,6 Sonnenmassen – das heißt, es muss entweder ein extrem schwerer Neutronenstern oder das leichteste bekannte Schwarze Loch gewesen sein. Auch die Verschmelzung zweier Neutronensterne, die 2017 als Gravitationswellenereignis beobachtet wurde, soll ein Schwarzes Loch von etwa 2,8 Sonnenmassen erzeugt haben.

Objekte, die über Gravitationswellen entdeckt werden, sind leider nur schwer langfristig zu untersuchen. Sie liegen meist weit jenseits unserer Galaxie, was bedeutet, dass Astronomen nur dann etwas über sie erfahren, wenn sie in einem kurzen Ausbruch Gravitationswellen aussenden. Danach sind sie für immer aus unserem Blickfeld verschwunden.

Das Einhorn hingegen befindet sich in unserer galaktischen Nachbarschaft und kann noch über Jahre hinweg untersucht werden. „Die Tatsache, dass der Begleiter ein Roter Riese ist, und dass das Objekt ganz in der Nähe ist, macht die Beobachtungen genauer und zuverlässiger“, sagt Vicky Kalogera, eine Astronomin an der Northwestern University, die nicht an der neuen Forschung beteiligt war.

Kollaps in der Raumzeit

Die Astronomen hoffen, dass das Einhorn und andere ähnliche Objekte mehr über die Physik enthüllen, die die Entstehung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen bestimmt. Beide Objekte entstehen, wenn ein Stern das Ende seines Lebens erreicht und sein nuklearer Brennstoffvorrat erschöpft ist. Doch welches Schicksal ihn erwartet, hängt von seiner Masse ab.

Ist der Stern ein wenig größer als unsere Sonne, explodiert er in einer Supernova. Der verbleibende Überrest des Sterns wird durch die Schwerkraft zu einem Neutronenstern komprimiert – ein Objekt, dessen Material dichter gepackt ist als in einem Atomkern.

Ist das Objekt aber deutlich schwerer, kollabiert es unter der Schwerkraft noch weiter und es entsteht ein Schwarzes Loch. Der Stern mag zehn Millionen Jahre existiert haben, aber diese letzte Phase spielt sich mit unglaublicher Geschwindigkeit ab.

„In einer Zeitspanne von einer bis fünf Sekunden entscheidet sich, ob der Stern als Supernova explodiert und einen Neutronenstern erzeugt, oder ob er kollabiert und ein Schwarzes Loch bildet“, sagt Todd Thompson, Astronom an der Ohio State University und Mitautor der Einhorn-Studie. „Oder es könnte einen Mittelweg geben, wo er teilweise explodiert, aber immer noch Material zurückfällt und ein Schwarzes Loch bildet. All das entscheidet sich in sehr kurzer Zeit.“

Ein Dilemma für die Forscher ist, dass es unmöglich ist, die relevante Physik direkt zu studieren. „Wir verstehen immer noch nicht ganz, wie sich Materie bei Kerndichten verhält“, sagt Kalogera. „Das ist die Herausforderung der Astronomie: Wir können diese Dichten nicht im Labor nachbilden.“

Die kleinsten Schwarzen Löcher – wie das Einhorn – könnten den Wissenschaftlern helfen, dieses kosmische Puzzle zusammenzusetzen.

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Ein klareres Bild könnte sich ergeben, wenn mehr Daten von der Gaia-Raumsonde der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlicht werden. Sie soll die Positionen der Sterne am Himmel punktgenau kartieren und wird vielleicht noch mehr kleine Schwarze Löcher enthüllen, die an ihren Begleitsternen zerren.

Die Astronomen warten auch gespannt auf die nächste Datenveröffentlichung der Sloan Digital Sky Survey, die mit einem Teleskop in New Mexico einen detaillierten Blick auf Millionen von Himmelsobjekten wirft. So könnte sie möglicherweise die Bewegung von Sternen aufdecken, die auf unsichtbare Begleiter reagieren. Kleine Schwarze Löcher könnten auch vom Vera C. Rubin Observatorium gefunden werden, das derzeit in Chile gebaut wird.

Wenn mehr Daten zur Verfügung stehen, hoffen die Astronomen, die Ursache für den bisherigen Mangel an kleinen Schwarzen Löchern zu erfahren: Ist es ein neuer Aspekt der Sternphysik – oder sind kleine Schwarze Löcher tatsächlich überall in der Galaxie zu finden und wurden nur nicht beobachtet, weil wir gerade erst die Mittel entwickelt haben, um nach ihnen zu suchen?

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