01.12.2011 · Über die Natur von Cygnus X-1 waren sich die Astronomen lange nicht einig. Jüngste Messungen liefern nun verblüffende Details über ein extrem kompaktes Schwarzes Loch.
Von Jan Hattenbach
© Nasa/CXC/M. Weiss
Ein gerade einmal 30 Kilometer großes Schwarzes Loch sammelt Materie von einem blauen Begleitstern auf. Die Materie sammelt sich in einer flachen Akkretionsscheibe, bevor sie von dem Loch verschluckt wird. Ein geringer Teil entweicht entlang zweier schmaler „Jets“. Bei diesem Prozess entsteht intensive Röntgenstrahlung.
Die Röntgenquelle "Cygnus X-1" im Sternbild Schwan ist für die Astronomen ein alter Bekannter. Dass sich in seinem Inneren ein Schwarzes Loch verbirgt, ist immer vermutet worden. Ganz sicher war man sich aber nie. Jetzt gibt es endlich Gewissheit, denn amerikanische Astronomen haben Cygnus X-1 präzise vermessen. Danach ist das Schwarze Loch gerade mal so groß wie ein kleiner Asteroid, aber fünfzehnmal so schwer wie die Sonne. Es wirbelt mehr als achthundert Mal pro Sekunde um sich selbst.
Schwarze Löcher ohne Haare
Ablichten konnten die Wissenschaftler ihr Forschungsobjekt indes nicht. Denn Schwarze Löcher sind für Teleskope unsichtbar. Bereits 1916 postulierte der deutsche Astronom Karl Schwarzschild mit Hilfe der von Albert Einstein formulierten Feldgleichungen erstmals ihre Existenz. In den sechziger Jahren prägte dann der amerikanische Forscher John Archibald Wheeler den Begriff des "Schwarzen Lochs" für Objekte, in denen die Materie so extrem komprimiert ist, dass nicht einmal das Licht von ihnen loskommt. Mit dem berühmten Ausspruch "Schwarze Löcher haben keine Haare" beschrieb Wheeler zudem eine erstaunliche Eigenschaft Schwarzer Löcher. Alle Informationen über einen Gegenstand, der das Pech hat, in ein Schwarzes Loch zu stürzen, geht unweigerlich und für immer verloren. Denn nach Einstein kann sich kein Signal schneller ausbreiten als Licht im Vakuum. Der Sturz in ein Schwarzes Loch ist demnach eine Reise ohne Wiederkehr.
Die Spielerei wird Realität
Bis Ende der sechziger Jahre waren Schwarze Löcher nicht mehr als eine mathematische Spielerei. Nicht wenige Physiker hielten ihre Existenz für ausgeschlossen - bis zur Entdeckung der Röntgenquelle Cygnus X-1 Anfang der siebziger Jahre. Wie Astronomen feststellten, umkreist dort ein normaler Stern einen unsichtbaren Begleiter - und zwar innerhalb von nur fünfeinhalb Tagen. Die Röntgenstrahlung entsteht, weil der Stern an diesen Begleiter Material verliert, das sich dabei stark erhitzt. Doch handelte es sich bei diesem mysteriösen Begleiter wirklich um ein Schwarzes Loch? Zu den Skeptikern gehörte auch der Theoretiker Kip Thorne, der sich zu einer Wette mit Hawking hinreißen ließ. Letzterer wettete gegen die "Lochhypothese", um sich - wie er meinte - abzusichern: Er habe schließlich viel Arbeit in Schwarze Löcher investiert, und sollten diese dennoch nicht existieren, bliebe ihm immerhin der Wettgewinn in Form eines Vierjahresabonnements eines britischen Satiremagazins.
Die Vermessung von Cygnus X-1
Hawking erklärte sich aber schon 1990 selbst zum Verlierer der Wette. Immer bessere Beobachtungsmöglichkeiten hatten eine Reihe von Indizien zusammengetragen, die für ein Schwarzes Loch als Begleiter des Sterns sprachen. Tatsächlich gilt die Existenz des Schwarzen Lochs in Cygnus-X1 seit zwei Jahrzehnten als ziemlich sicher, doch erst jetzt ist es den Wissenschaftlern um Mark Reid vom Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik in Cambridge (Massachusetts) gemeinsam mit Forschern um Jerome Orosz von der San Diego State University gelungen, die exakten Dimensionen und Eigenschaften dieses kompakten Objekts in Erfahrung zu bringen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie im Dezemberheft des „Astrophysical Journals“ (Bd. 742, Nr.2).
© Digitized Sky Survey
Für gewöhnliche Teleskope ist Cygnus X-1 nur ein gewöhnlicher, nicht eben heller Stern (rote Umrandung). Tatsächlich handelt es sich um ein Binärsystem aus einem Stern und einem kompakten Schwarzen Loch
Präzise Entfernungsmessung
Entscheidend war die erstmals direkte Bestimmung der Entfernung von Cygnus X-1. Reid und seine Kollegen nutzen dazu die Radioteleskope des Very Long Baseline Array (VLBA), die sich von Hawaii über den nordamerikanischen Kontinent bis in die Karibik erstrecken. Durch das Zusammenschalten weit entfernter Teleskope können die Astronomen die scheinbare jährliche Bewegung des Objekts am Himmel, das durch die Bewegung der Erde um die Sonne zustande kommt, mit großer Genauigkeit vermessen. Dieser sogenannte Parallaxeneffekt tritt auch im Alltag in Erscheinung, etwa bei einer Autofahrt: Beim Blick durch das Seitenfenster scheinen sich weit entfernte Gegenstände langsamer zu bewegen als nahe. Durch die Vermessung der jährlichen Parallaxe ist den Wissenschaftlern um Reid gelungen, die Entfernung von Cygnus X-1 auf 6070 Lichtjahre bestimmen - mit einer Ungenauigkeit von nur sechs Prozent. Frühere Angaben schwankten zwischen 5800 und 7800 Lichtjahre.
Entlockte Eigenschaften
Mit dieser präzisen Entfernungsangabe konnten die Forscher auch die Eigenschaften des Schwarzen Lochs erheblich genauer bestimmen. Gemäß des "Keine-Haare-Theorems" von Wheeler genügt dazu bereits die Angabe seiner Masse und seiner Rotationsgeschwindigkeit. Reid und seine Mitarbeiter werteten hierzu Daten des Röntgenteleskops Chandra sowie von weiteren Röntgen-, Radio- und optischen Teleskopen neu aus und kamen zu dem Schluss, dass das Schwarze Loch von Cygnus X-1 knapp fünfzehn Sonnenmassen enthält und mehr als achthundert Mal pro Sekunde rotiert. Seine Größe entspricht gerade einmal der eines kleinen Asteroiden.
Ein jugendliches Objekt
Aus dem Alter des begleitenden Sterns konnte man bereits früher ableiten, dass das Schwarze Loch vor etwa sechs Millionen Jahren entstanden sein muss und damit nach astronomischen Maßstäben recht jung ist. Wäre es nach der gängigen Theorie durch die Explosion einer Supernova entstanden, müsste es leichter sein und langsamer rotieren. Genügend Zeit, um genug Masse und Schwung aufzusammeln, blieb ihm nach Ansicht von Reid und seinen Kollegen jedenfalls nicht. Es ist daher wahrscheinlich das Resultat des "dunklen Kollapses" eines ursprünglich wahrscheinlich mehr als hundert Sonnenmassen schweren Riesensterns. Für diese These spricht den Astronomen zufolge auch seine geringe Geschwindigkeit relativ zu seinen Umgebungssternen, die Reid und seine Mitstreiter ebenfalls erstmals genau gemessen haben. Eine Supernovaexplosion hätte ihm danach einen weit stärkeren "Kick" verpasst.
Ergebnisse mit Überzeugungskraft
Trotz seiner gewonnenen Wette war Kip Thorne nie ganz davon überzeugt, dass es sich bei dem massiven Objekt in Cygnus-X1 tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt. Die neuen Ergebnisse haben aber offenbar nun auch seine Meinung geändert: "Die Daten und Modelle, die in den drei Veröffentlichungen beschrieben werden, liefern endlich eine vollständige und endgültige Beschreibung dieses Binärsystems", so Thorne.
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Eduard Sternowsky (hopedi)
- 02.12.2011, 16:15 Uhr
