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Schwarze Löcher : Fütterung eines rotierenden Vielfraßes

  • -Aktualisiert am

Ein schnell rotierendes Schwarzes Lochs: Vom Röntgenlicht hell erleuchtet ist die Materiescheibe, die das Objekt umgibt. Vom Schwarzen Loch selbst entweichen geladene Teilchen und Gammablitze. Bild: Nasa

Ein Schwarzes Loch in sechs Milliarden Lichtjahren Entfernung wirbelt mit halber Lichtgeschwindigkeit herum. Dabei verschlingt es stetig Materie.

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          Schwarze Löcher mit einigen zehn bis hundert Millionen Sonnenmassen gelten als zentrale Kraftwerke aktiver Galaxien, zu denen auch die vor mehr als einem halben Jahrhundert entdeckten Quasare zählen. Dank ihrer geballten Schwerkraft verschlingen diese Objekte nahezu alles, was ihnen zu nahe kommt, und setzen dabei große Mengen an Energie frei. Mit Hilfe eines optischen Effekts ist es amerikanischen Forschern erstmals gelungen, die Rotationsgeschwindigkeit eines Schwarzen Loches mit rund 200 Millionen Sonnenmassen im Zentrum einer weit entfernten aktiven Galaxie zu bestimmen. Wie Ruben Reis von der University of Michigan in Ann Arbor und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“  berichten, liefert das Ergebnis wichtige Informationen über das Wachstum des extrem massereichen Objektes.

          Wie und woher Schwarze Löcher ihren Nachschub an Materie erhalten, ist ein unter Astronomen und Astrophysikern seit langem heißdiskutiertes Thema. Mindestens zwei Möglichkeiten kommen in Frage: ein eher stetes Wachstum, das aus Galaxienverschmelzungen gespeist wird und sich über recht lange Zeiträume erstreckt. Und ein vorwiegend chaotisches Wachstum, bei dem die einzelnen Phasen durch eher zufällig eingefangene Sterne oder Materiewolken angeregt werden.

          Stete Fütterung in der Frühphase?

          Eine Möglichkeit, Schwarzen Löchern Informationen über die Art und Weise zu entlocken, wie sie sich Materie einverleiben, bietet ihre Rotationsgeschwindigkeit. Theoretische Überlegungen zeigen nämlich, dass langanhaltende Wachstumsphasen neben einem Zuwachs an Materie auch eine stetige Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Loches bewirken. Demgegenüber vergrößert chaotisch zufließende Materie zwar auch die Masse des zentralen Objektes, trägt in der Summe aber deutlich weniger zur Beschleunigung der Rotation bei.

          Weil Galaxien in der Frühphase des Universums wegen der damals herrschenden Enge recht häufig miteinander kollidierten, erwarten die Astronomen, dass in den ersten Milliarden Jahren die Schwarzen Löcher in den Zentren der verbleibenden Galaxien kontinuierlich wuchsen. Allerdings fehlte es dazu bisher an Belegen.

          Das durch eine Gravitationslinse verzerrte Licht des Quasars J1131-1231 aufgenommen von den Weltraumteleskopen Chandra und Hubble. Die Chandra-Daten wurden dazu genutzt,  die Rotation des Schwarzen Lochs im Zentrum zu bestimmen.

          Bislang konnten Astronomen die Rotationgeschwindigkeiten nämlich von nur vergleichsweise nahen massereichen Schwarzen Löchern messen, die entsprechend bereits etliche Milliarden Jahre alt sind. Dabei nutzen sie den Umstand, dass rotierende Schwarze Löcher die Raum-Zeit-Struktur in ihrer unmittelbaren Umgebung gleichsam mitreißen, und zwar umso stärker, je rascher sie rotieren. Diese als Lense-Thirring-Effekt bezeichnete Deformation der Raum-Zeit erlaubt es der einströmenden Materie, näher an ein rasch rotierendes Schwarzes Loch heranzukommen als an ein langsam oder an ein gar nicht rotierendes Objekt gleicher Masse.

          Dabei wird die Materie noch stärker aufgeheizt und sendet entsprechend mehr energiereiche Röntgenstrahlung aus, die an der umgebenden Akkretionsscheibe teilweise reflektiert wird. Da diese Röntgenstrahlung zumeist charakteristische Spektrallinien aufweist, lassen hochauflösende Röntgenspektren entsprechende Veränderungen aufgrund der relativistischen Verzerrungen des Raum-Zeit-Gefüges erkennen. Sie liefern auf diese Weise Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit des zentralen Objektes.

          Quasar durch eine Linse betrachtet

          Bei der jetzt vorgestellten Rotationsmessung an einem mehr als sechs Milliarden Lichtjahre entfernten Schwarzen Loch, das im Zentrum der aktiven Galaxie RXJ1131-1231 sitzt, kam den Forschern um Ruben Reis vom Department of Astronomy in Ann Arbor der Zufall zu Hilfe: Etwa auf halber Strecke zwischen uns und dem Quasar liegt eine elliptische Galaxie, die als sogenannte Gravitationslinse wirkt. Sie bündelt die Strahlung aus der Umgebung des Schwarzen Loches und erzeugt gleich vier deutlich hellere Abbilder des Quasars. Erst dank dieser optischen Verstärkung war die beobachtete Röntgenstrahlung intensiv genug, um nach einer Gesamtmesszeit von mehr als fünf Tagen ein brauchbares Spektrum zu liefern.

          Die Analyse des Röntgenspektrums zeigte, dass das massereiche Schwarze Loch im Zentrum von RXJ1131-1231 mit einem rasanten Tempo herumwirbelt, und zwar mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit. Zumindest dieses Objekt - und mit ihm die umgebende Galaxie - dürfte demnach während seiner gesamten bisherigen Entwicklungszeit von rund sieben Milliarden Jahren durch lang andauernde Materiezuflüsse gewachsen sein.

          Allerdings werden noch zahlreiche ähnliche Messungen an anderen Schwarzen Löchern erforderlich sein, ehe man zuverlässige Aussagen über das Wachstum von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern sowie über mögliche gegenseitige Einflüsse treffen kann, die dann vielleicht eines der verschiedenen existierenden Modelle stützen.

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