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Schwarze Löcher : Kosmische Präzisionswaage

  • -Aktualisiert am

Resonante Schwingungen gestatten den Blick in Schwarze Löcher. Bild: Max-Planck-Institut

Der Garchinger Astrophysiker Bernd Aschenbach hat ein Verfahren entwickelt, mit dem die Massen Schwarzer Löcher bestimmt werden können.

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          Auf eine neue Möglichkeit zur Bestimmung der Massen Schwarzer Löcher ist der Garchinger Astrophysiker Bernd Aschenbach gestoßen. Bei dem Versuch, sogenannte quasiperiodische Schwankungen in der Röntgenstrahlung einzelner Quellen zu erklären, fand er bislang übersehene Zusammenhänge zwischen den Drehimpulsen und den Massen der Schwarzen Löcher sowie dem Rotationsverhalten der sie umgebenden Akkretionsscheiben. In solchen Akkretionsscheiben sammelt sich eingefangene Materie, bevor sie endgültig in das Schwarze Loch stürzt.

          Schon seit einigen Jahren wissen die Astrophysiker um extrem kurzperiodische Schwankungen in der Röntgenstrahlung der Schwarzen Löcher. Sie treten vor allem in engen Doppelsternsystemen auf, in denen Materie von einem der beiden Sternpartner zum anderen - zumeist einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch - hinüberströmt. Insbesondere der speziell zum Nachweis solch kurzperiodischer Veränderungen entwickelte und 1995 gestartete Satellit "Rossi XTE" hat zahlreiche Exemplare dieser Objektklasse gefunden.

          "Stehende Schwingung"

          Bei mindestens dreien treten die kurzzeitigen Schwankungen gleichsam paarweise auf, das heißt mit zwei unterschiedlichen Frequenzen, die in einem festen Verhältnis (drei zu zwei) zueinander stehen. Bei der Quelle GRO J1655-40 betragen diese Frequenzen zum Beispiel 450 und 300 Hertz, bei XTE J1550-564 sind es 276 und 184 Hertz. Derartige Resonanzen legten die Vermutung nahe, daß sie auf Schwingungen innerhalb der Akkretionsscheibe selbst zurückzuführen sind, die durch Wechselwirkungen mit dem zentralen Schwarzen Loch ausgelöst werden. In diesem Fall sollten die Frequenzen Rückschlüsse auf die Masse und das Rotationsverhalten - den Drehimpuls oder Kerr-Parameter - des Schwarzen Loches ermöglichen.

          Die resonanten Frequenzen reichen alleine allerdings nicht aus, die Eigenschaften des Systems vollständig zu bestimmen. Erst Bernd Aschenbach vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik hat jetzt den möglicherweise entscheidenden Schlüssel für ein entsprechendes Verfahren gefunden. Der Forscher nimmt an, daß die raschen Veränderungen der Röntgenstrahlung tatsächlich auf eine Art "stehende Schwingung" der Akkretionsscheibe zurückgehen. Dabei haben die Frequenzen der radialen und der vertikalen Auslenkungen einzelner Materieteilchen zueinander außen das Verhältnis drei zu zwei, an einer weiter innen gelegenen Position dagegen das Verhältnis drei zu eins. Beide Verhältnisse sind beobachtet worden. Ein solcher Schwingungsmodus ließe sich als eine Überlagerung aus einem ständigen Aufblähen und Schrumpfen sowohl in vertikaler als auch in radialer Richtung beschreiben.

          Schwingungsmoden

          Da die Umlaufzeit der einzelnen Materieteilchen von ihrem Abstand zum Schwarzen Loch abhängt, setzt Aschenbach in seinem Modell zusätzlich eine normale "Kepler-Resonanz" zwischen der äußeren und der inneren resonanten Bahn an. Die Umlaufzeit der inneren Resonanz sollte demnach in einem kleinen ganzzahligen Verhältnis zu jener der äußeren Resonanz stehen. Eine derartige Kopplung dürfte das Auftreten mehrerer sogenannter Schwingungsmoden begünstigen.

          Mit seinem Modell konnte Aschenbach eine Formel sowohl für den Drehimpuls als auch - anhand der Frequenzen - für die Masse des zentralen Schwarzen Lochs ableiten. Für GRO J1655-40 hat er einen Wert von etwa sieben Sonnenmassen ermittelt, für XTE J1550-564 dagegen einen von rund elf Sonnenmassen. Beide stehen in Einklang mit den Massen, die man anhand von bahndynamischen Messungen bestimmt hat, sind allerdings mit wesentlich kleineren Fehlern behaftet. Auch die Masse des Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße läßt sich mit dem Verfahren deutlich genauer als bislang auf etwa 3,3 Milliarden Sonnenmassen eingrenzen.

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