06.06.2009 · Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien sind Quellen extremer Strahlungsintensitäten. Nun ist es Astrophysikern zum ersten Mal gelungen, Röntgenstrahlung aus dem unmittelbaren Umfeld eines solchen massereichen Schwarzen Lochs nachzuweisen.
Von Hermann-Michael Hahn
© Ken Rice
Eine Akkretionsscheibe, wie sie in numerischen Simulationen zur Sternentstehung erzeugt wird.
Zum ersten Mal ist es den Astronomen gelungen, Röntgenstrahlung aus dem unmittelbaren Umfeld eines massereichen Schwarzen Loches im Zentrum einer aktiven Galaxie nachzuweisen und zu analysieren. Sie stammt aus einem Gebiet, das nur wenige Millionen Kilometer von dem Schwarzen Loch entfernt ist. Das berichten die beteiligten Forscher, zu denen auch zwei Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik in Garching gehören, in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Nature".
Massereiche Schwarze Löcher prägen, wie man mittlerweile weiß, das vielfältige Erscheinungsbild sogenannter aktiver Galaxien. Sie sind zum Beispiel die "Quellen" gewaltiger Materiejets, die in zwei einander entgegengesetzte Richtungen davongeschleudert werden, und verantwortlich für extreme Strahlungsintensitäten, die in vielen Wellenlängenbereichen beobachtet werden. Mit ihrer geballten Schwerkraft, die durch die Konzentration von bis zu mehreren Millionen Sonnenmassen auf kleinstem Raum bereitgestellt wird, fangen Schwarze Löcher aus ihrer Umgebung Materie ein, die sie sich über einen gewaltigen Strudel, eine sogenannte Akkretionsscheibe, einverleiben. Dabei werden jene Mengen an Energie freigesetzt, die für das Aufrechterhalten des typischen Erscheinungsbildes erforderlich sind.
Strahlung aus dem Strudel
Innerhalb des Materiestrudels sorgen vor allem Reibungskräfte dafür, dass sich die Materie unmittelbar vor dem Sturz in das Schwarze Loch extrem aufheizt, wodurch Röntgenstrahlung entsteht. Beobachtungen mit dem europäischen Forschungssatelliten XMM-Newton aus dem Januar 2008 förderten im Röntgenspektrum einer aktiven Galaxie mit der Katalogbezeichnung 1H 0707-495 zwei auffällige Spektrallinien zutage, die der allgemeinen Röntgenstrahlung der Akkretionsscheibe überlagert sind. Beide stammen von Eisenatomen innerhalb der Scheibe, die von der Röntgenstrahlung getroffen und zu einer Art Resonanzstrahlung angeregt werden.
Die Frequenz dieser Röntgenstrahlung ist gegenüber den Laborwerten durch mehrere lokale Effekte deutlich verändert. Zum einen wirbeln die Eisenatome innerhalb der Akkretionsscheibe mit großer Geschwindigkeit um das zentrale Schwarze Loch, zum anderen muss die Strahlung nach dem Aussenden gegen die Schwerkraft des Schwarzen Loches ankämpfen und erfährt dadurch eine zusätzliche Rotverschiebung. Und schließlich kann eine mögliche rasche Rotation des Schwarzen Loches selbst auch noch ein "Mitschleifen" der umgebenden Raumzeit bewirken, die sich ebenfalls im Spektrum niederschlägt.
Zwei Erdmassen pro Stunde
Während der rund acht Tage dauernden Messungen wurde eine große Veränderlichkeit der Strahlungsintensität beobachtet, die sich auf Dichteschwankungen innerhalb des Materiestrudels zurückführen lässt. Mit aufwendigen statistischen Verfahren fanden die Forscher heraus, dass die Intensität in den beobachteten Eisenlinien jeweils etwa 30 Sekunden später anstieg als die Intensität der allgemeinen Röntgenstrahlung. Deutet man diese Verzögerung als Lichtlaufzeit zwischen der eigentlichen Röntgenquelle und dem Bereich, in dem die Röntgenstrahlung reflektiert wird, so ist die Reflexionszone etwa zehn Millionen Kilometer von der Röntgenquelle entfernt.
Weitere Betrachtungen über die Intensität der Strahlung und die Form der beobachteten Spektrallinien legen die Vermutung nahe, dass das zentrale Schwarze Loch eine Masse von etwa drei bis fünf Millionen Sonnenmassen besitzt und derzeit einen nahezu maximal möglichen Materiestrom aufnimmt - etwa zwei Erdmassen pro Stunde oder eine Sonnenmasse innerhalb von 19 Jahren.
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