Löcher und Überraschungen
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Löcher und Überraschungen
Veröffentlicht am 7. Mai 2020, 13:35 MESZ
Foto von Illustration von ESO/L. CALÇADA
Foto von SO/Digitized Sky Survey 2, mit Dank an: Davide De Martin
Im Zentrum unserer Galaxie lauert ein Supermassereiches Schwarzes Loch. Erfahrt mehr über die verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern, ihre Entstehung und ihre Geschichte in der Wissenschaft.
Der Weltraum ist für uns nach wie vor das große Unbekannte, aber wenig daran ist so mysteriös wie Dunkle Materie und Dunkle Energie. Lernt etwas über die Grundlagen dieser geheimnisvollen Bestandteile des Alls und darüber, wie Wissenschaftler die kaum messbaren Phänomene untersuchen.
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Diese künstlerische Darstellung zeigt die Umlaufbahnen der Objekte im Dreiersystem HR 6819. Es besteht aus einem inneren Stern (blauer Orbit), einem neu entdeckten Schwarzen Loch (roter Orbit) und einem dritten, weiter außen gelegenen Stern (ebenfalls mit blauem Orbit).
Während des Winters leuchtet am Nachthimmel der südlichen Hemisphäre ein blauer Lichtpunkt im Sternbild Teleskop am Firmament. Was wie ein heller Stern aussieht, sind tatsächlich zwei Sterne – und sie werden von einem Schwarzen Loch begleitet, das der Erde näher ist als jedes andere.
Dieses neu entdeckte Objekt ist nur etwa 1.011 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt und befindet sich im Sternensystem HR 6819. Es kreist zusammen mit zwei Sternen um einen Mittelpunkt, wie im Fachmagazin „Astronomy & Astrophysics“ beschrieben wurde . Schätzungen zufolge hat es ungefähr die vierfache Masse der Sonne und ist uns ungefähr 2.500 Lichtjahre näher als das zweitnächste Schwarze Loch .
„Es scheint, als hätte es sich direkt vor unseren Augen versteckt“, sagt der Astronom Kareem El-Badry , ein Doktorand an der University of California, Berkeley. Er ist auf binäre Sternsysteme spezialisiert, war an der Studie aber nicht beteiligt. „Das Sternsystem ist hell genug, dass die Leute es schon seit den Achtzigern erforschen. Es sieht aber so aus, als hätte es noch ein paar Überraschungen parat gehabt.“
Diese Aufnahme des Himmels entstand im Rahmen der Digitized Sky Survey 2. Der leuchtend blaue Punkt im Zentrum ist HR 6819. Die beiden Sterne sind so dicht beieinander, dass sie wie ein einziger Stern aussehen. Zu dem Dreiersystem gehört auch ein Schwarzes Loch.
Für menschliche Maßstäbe sind 1.000 Lichtjahre eine gewaltige Entfernung. Würde man ein Modell der Milchstraße so darstellen, dass zwischen Sonne und Erde nur ein einziges Haar passt, wäre HR 6819 immer noch 6,5 Kilometer entfernt. In Relation zur gesamten Galaxie, deren Durchmesser mehr als 100.000 Lichtjahre beträgt, ist uns HR 6819 aber ziemlich nah. Das lässt auch vermuten, dass es überall in der Milchstraße zahlreiche Schwarze Löcher gibt.
„Wenn wir eines finden, das uns sehr nah ist, und wir davon ausgehen, dass wir nichts Besonderes sind, dann muss es überall da draußen welche geben“, sagt der Hauptautor der Studie Thomas Rivinius, ein Astronom der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.
Forscher vermuten schon länger, dass es in der Milchstraße hunderte Millionen von Schwarzen Löchern geben könnte – enorm dichte Objekte, deren Gravitation so gewaltig ist, dass nicht einmal Licht ihr entkommen kann. Allerdings hat es sich als äußerst schwierig herausgestellt, diese dunklen Objekte zu finden. Ein paar Dutzend der Schwarzen Löcher in unserer Galaxie wurden entdeckt, weil sie die Gase nahegelegener Nebel „fressen“. Bei diesem Prozess entstehen Röntgenstrahlen, wenn die Gase um den Ereignishorizont des Schwarzen Loches wirbeln. Die Mehrheit dieser Objekte ist jedoch unsichtbar. Um sie zu entdecken, müssen wir nach den Auswirkungen ihrer Gravitation auf umliegende Objekte Ausschau halten.
Die Astronomen, die HR 6819 erforschten, waren eigentlich gar nicht auf der Suche nach Schwarzen Löchern. Sie wollten mehr über das eigenartige Sternenpaar erfahren, das einander umkreist.
Der äußere Stern, ein sogenannter Be-Stern, hat das Mehrfache der Masse der Sonne und brennt deutlich heißer und blauer. An seinem Äquator rotiert die Oberfläche des Sterns mit mehr als 480 km/s – mehr als doppelt so schnell wie die Oberfläche am Sonnenäquator. „Die rotieren so schnell, dass die Materie fast von selbst wegfliegt“, sagt Rivinius.
Im Jahr 2004 wurde HR 6819 vier Monate lang mit dem MPG/ESO-2,2-m-Teleskop des La-Silla-Observatoriums in Chile beobachtet. Dabei entdeckten die Forscher Anzeichen dafür, dass es sich bei den Sternen um mehr als ein nur ganz normales Binärsystem handelte. Der „normale“ innere Stern schien alle 40,3 Tage einen Orbit um ein weiteres Objekt zu vervollständigen. Der größere Be-Stern umkreiste deutlich weiter draußen sowohl den inneren Stern als auch ein mysteriöses drittes Objekt.
Fünf Jahre später nahm sich Stan Štefl von der Europäischen Südsternwarte diese Beobachtungen noch einmal vor. Sie enthielten Hinweise auf ein Schwarzes Loch, das im Zentrum von HR 6819 lauerte. Als Štefl 2014 bei einem Autounfall starb, wurde die Arbeit zwischenzeitlich auf Eis gelegt.
Im November 2019 hatte Rivinius – ein Experte für Be-Sterne und ein langjähriger Kollege von Štefl – einen neuen Grund, um sich HR 6819 noch mal anzusehen. Eine andere Forschergruppe hatte eine Studie publiziert, in der sie ein Sternsystem namens LB-1 beschrieben. Das System enthielt ein Schwarzes Loch, das 70 Mal massereicher als unsere Sonne ist. Die Studie sorgte sogleich für Skepsis. Nach dem zu urteilen, was Physiker über die Entstehung Stellarer Schwarze Löcher wissen – also solche, die nach einer Supernova zurückbleiben –, sollten derart massereiche Schwarze Löcher gar nicht entstehen können. Wenn ein Stern groß genug ist, um theoretisch ein Schwarzes Loch von dieser Größe hervorzubringen, müsste er auf eine Weise explodieren, die verhindert, dass die Trümmer wieder aufeinander zurückfallen und sich verdichten.
Rivinius’ Team kamen die Daten von LB-1 allerdings ziemlich bekannt vor: Sie wiesen eine starke Ähnlichkeit zu dem auf, was sie selbst vor Jahren bei HR 6819 gesehen hatten. Also machten sie sich daran, das mysteriöse dritte Objekt des Systems zu beschreiben. Anhand der Berechnungen der Helligkeit und Umlaufbahn des inneren Sterns musste das unsichtbare Objekt mindestens 4,2 Mal massereicher als unsere Sonne sein – und damit ähnlich massereich wie andere bekannte Schwarze Löcher in der Milchstraße.
Wenn das Objekt tatsächlich etwa vier Sonnenmassen hat, dann kann es kein normaler Stern sein: Ein Stern von dieser Größe wäre „sehr einfach zu entdecken“, sagte der Co-Autor der Studie Dietrich Baade, ein emeritierter Wissenschaftler des ESO. Auch für einen Neutronenstern – das dichte Zentrum eines Sterns, das nach manchen Supernovae zurückbleibt – ist das Objekt zu massereich.
Nur eine Art von Objekt konnte die Messungen erklären: ein Schwarzes Loch.
Aber alle Studien von Systemen wie HR 6819, in denen es mehrere Objekte dicht beieinander gibt, haben mit potenziellen Fehlerquellen zu kämpfen, erklärt El-Badry. Der äußere Be-Stern und der innere Stern von HR 6819 sind zu dicht beieinander, um mit optischen Teleskopen isoliert zu werden. Die beiden Sterne können nur durch ihr unterschiedliches Lichtspektrum identifiziert werden.
In manchen Fällen können ältere Sterne, die ihren äußeren Wasserstoff bereits verbrannt haben, aussehen wie jüngere, massereiche Sterne. Sollte das auch beim inneren Stern von HR 6819 der Fall sein, müssten Forscher die Masse des mutmaßlichen Schwarzen Loches neu berechnen.
Für ihre Folgestudie wollen Forscher unter der Leitung des Co-Autors Petr Hadrava das von HR 6819 ausgestrahlte Licht analysieren und die präzisen Lichtspektren der zwei Sterne identifizieren. Das sollte auch die Frage nach ihrer Beschaffenheit klären. Laut El-Badry könnte auch das ESA-Teleskop Gaia, welches die Milchstraße mit bislang beispielloser Präzision kartiert, mehr Details über die Umlaufbahnen in HR 6819 offenbaren. Weil das System uns so nahe ist, könnten Astronomen die beiden Sterne mithilfe einer Technik namens Interferometrie punktgenau lokalisieren. Dabei werden mehrere Teleskope miteinander kombiniert – ähnlich wie das Teleskopnetzwerk, das erfolgreich die Silhouette eines Supermassereichen Schwarzen Lochs ablichtete.
„Wenn man ein Schwarzes Loch mit einem Stern im Orbit hat, kann man für gewöhnlich nicht sehen, wie der Stern das Schwarze Loch umkreist“, sagt die Co-Autorin Marianne Heida, eine Postdoktorandin am ESO. „Das hier ist aber so nahe, dass wir die Bewegungen sehen können sollten […] und das bedeutet, dass man die Masse des Schwarzen Loches viel genauer bestimmen kann, wenn alles klappt.“
Während die Forscher ihre nächsten Schritte planen, würdigen sie auch Štefl, die treibende Kraft hinter der Entdeckung dieses Schwarzen Lochs. „Stan war sehr vorsichtig“, sagt Rivinius mit einem Grinsen. „Der würde mich jetzt vermutlich ansehen und sowas sagen wie: Bist du dir wirklich sicher?“
Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.
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Staubige Überraschung am Schwarzen Loch
Künstlerische Darstellung der Umgebung eines supermassenreichen Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie NGC 3783. Credit: ESO/M. Kornmesser
Künstlerische Darstellung der Umgebung eines supermassenreichen Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie NGC 3783. Credit: ESO/M. Kornmesser
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Detailreich wie nie sind die Aufnahmen von Staub, die das „Very Large Telescope Interferometer“ (VLTI) der Europäischen Sternwarte (ESO) um ein riesiges Schwarzes Loch im Zentrum einer aktiven Galaxie geliefert hat. Der strahlende Staub wurde zum Großteil ober- und unterhalb des Toruses entdeckt und nicht – wie vermutet – in gleichmäßiger, ringförmiger Anordnung um das Loch herum. Die Beobachtungen zeigen, dass Staub offenbar durch einen kühlen Wind von dem Schwarzen Loch weggedrückt wird – eine überraschende Entdeckung, die gängige Theorien in Frage stellt und die zudem zeigt, wie sich supermassenreiche Schwarze Löcher entwickeln und mit ihrer Umgebung interagieren.
In den vergangenen 20 Jahren haben Astronominnen und Astronomen im Zentrum fast aller Galaxien riesige Schwarze Löcher entdeckt. Einige dieser Schwarzen Löcher wachsen, indem sie Materie aus ihrer Umgebung anziehen. Dadurch werden sie zu den energiereichsten Objekten, die es im Universum überhaupt gibt: aktive galaktische Kerne („active galactic nuclei“, AGN). Die zentralen Bereiche dieser einzigartigen Kraftwerke sind umgeben von ringförmig angeordnetem kosmischen Staub [1] („Doughnuts“), der aus dem Weltraum gezogen wird – ähnlich wie Wasser einen kleinen Strudel bildet, wenn es durch einen Abfluss fließt.
Bisher hatte man angenommen, dass der größte Teil der starken Infrarotstrahlung von AGN im Zentrum der Doughnuts oder Tori kommt. Neue Beobachtungen der uns nahegelegenen aktiven Galaxie NGC 3783 haben jetzt jedoch für eine Überraschung gesorgt. Als die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch das VLTI der Europäischen Sternwarte in Paranal, Chile [2], blickten, entdeckten sie, dass sich der 700 bis 1000 Grad heiße Staub tatsächlich zu einem ringförmigen Torus formt. Zusätzlich fanden sie riesige Mengen kühleren Staubes, der sich ober- und unterhalb des Torus abgelagert hat [3].
„Es ist uns zum ersten Mal gelungen, detailreiche, im mittleren Infrarotbereich liegende Beobachtungen vom kühlen Staub um das AGN herum mit ebenfalls detailreichen Beobachtungen des sehr heißen Staubes zu kombinieren. Zeitgleich stellt es die größte Reihe infraroter Interferometrie dar, die es je für ein AGN gab“, sagt Sebastian Hönig (University of California Santa Barbara, USA und Christian-Albrechts-Universität zu Kiel), Hauptverfasser der Arbeit, die die neuen Funde präsentiert.
Der neu entdeckte Staub bildet einen kühlen Wind, der aus dem Schwarzen Loch herausweht. Dieser Wind spielt den Wissenschaftlern zufolge eine wichtige Rolle innerhalb des komplexen Zusammenspiels zwischen Schwarzen Löchern und ihrer Umgebung. Ein Schwarzes Loch stillt dabei seinen unersättlichen Appetit durch das es umgebende Material. Zeitgleich scheint die dadurch entstehende Strahlung das Material wegzublasen. Es ist immer noch unklar, wie diese beiden Prozesse ineinandergreifen und es insbesondere supermassiven Schwarzen Löchern erlauben, sich innerhalb von Galaxien zu entwickeln und zu wachsen. Die Entdeckung des staubgeladenen Windes ist ein weiteres wichtiges Puzzleteil, um diese Prozesse entschlüsseln zu können.
Um auch die zentralen Bereiche des NGC 3783 untersuchen zu können, mussten die Astronomen die Leistung aller Einzelteleskope des VLT nutzen. Nur so entstand ein Interferometer, das so auflösungsstark wie ein 130-Meter Teleskop ist. Gerd Weigelt (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn), ebenfalls an der Entdeckung beteiligt, erklärt das so: „Durch die Kombination der einzigartigen Empfindlichkeit der großen Spiegel des VLT mit Interferometrie ist es uns gelungen, genug Licht einzufangen, um schwach strahlende Objekte beobachten zu können. So können wir eine Region studieren, die so klein ist wie die Entfernung von unserer Sonne zu ihrem nächstgelegenen Stern – und das in einer Galaxie die mehrere zehn Millionen Lichtjahre von uns entfernt liegt. Kein anderes optisches oder Infrarot-System ist dazu momentan in der Lage.“
Die neuen Funde könnten zu einem Paradigmenwechsel im Hinblick auf das Verständnis von AGN führen. Sie beweisen, dass Staub durch die immense Strahlung aus dem Schwarzen Loch herausgedrückt wird. Künftig werden Modelle, die die Verteilung des Staubes und das Wachstum und die Entwicklung Schwarzer Löcher beschreiben, die neuen Untersuchungsergebnisse berücksichtigen müssen. „Ich freue mich schon auf MATISSE, das uns in die Lage versetzen wird, alle vier VLT Einzelteleskope zu verbinden und somit zeitgleich im nahen und mittleren Infrarotbereich zu beobachten“, schwärmt Hönig. „Das wird uns noch detailliertere Daten liefern.“ MATISSE ist eine neue Gerätegeneration für das VLTI und befindet sich zurzeit im Bau.
[1] Kosmischer Staub besteht aus Silikat- und Grafitkörnern – Mineralien, die auch auf der Erde reichlich vorkommen. Der Ruß einer Kerze ist dem kosmischen Grafitstaub sehr ähnlich. Jedoch ist die Größe der Körner, die im Ruß enthalten sind, mindestens zehn Mal größer als die Körner, die man üblicherweise in kosmischem Grafit findet.
[2] Das VLTI kann aus seiner Kombination von vier 8,2-Meter VLT-Einzelteleskopen oder vier beweglichen 1,8-Meter VLT-Hilfsteleskopen zusammengefügt werden. Es bedient sich dabei der Technik, die als Interferometrie bekannt ist. Dabei wird Licht aus mehreren Teleskopen durch hochentwickelte Instrumente in einem Fernrohr gebündelt. Dies produziert zwar meistens kein Bild, jedoch erhöht diese Technik den Grad der Detailgenauigkeit der daraus resultierenden Beobachtungen im Vergleich zu einem Weltraumteleskop mit einem Durchmesser von über 100 Metern drastisch.
[3] Der heißere Staub wurde mit Hilfe des AMBER VLTI-Instruments kartographiert, das mit nahen infraroten Wellenlängen arbeitet. Die neueren hier beschriebenen Beobachtungen wurden mit einem MIDI Instrument mit Wellenlängen zwischen acht und 13 Mikrons im mittleren Infrarotbereich gemacht.
Die Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht in dem Artikel „Dust in the Polar Region as a Major Contributor to the Infrared Emission of Active Galactic Nuclei“, S. Hönig et al. Er erschien am 20. Juni 2013 im Astrophysical Journal.
Das Team besteht aus S.F. Hönig (University of California in Santa Barbara, USA [UCSB]; Christian-Albrechts-Universität zu Kiel [CAU]), M. Kishimoto (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn [MPIfR]), K. R. W. Tristram (MPIfR), M. A. Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien), P. Gandhi (Institute of Space and Astronautical Science, Kanawaga, Japan; University of Durham, England), D. Asmus (MPIfR), R. Antonucci (UCSB), L. Burtscher (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching), W. J. Duschl (Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, CAU) und G. Weigelt (MPIfR).
ESO ist die ehemalige internationale Astronomie Organisation Europas und besitzt die weltweit leistungsstärkste bodengestützte Sternwarte. Sie wird von 15 Ländern unterstützt: Österreich, Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Großbritannien, Italien, den Niederlanden, Portugal, Spanien, Schweden, der Schweiz und Tschechien. ESO konzentriert seine Tätigkeit auf das Design, die Konstruktion und den Betrieb von leistungsstarken, bodengestützten Sternwarten. Dadurch sollen Astronomen in die Lage versetzt werden, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. ESO spielt zudem eine wichtige Rolle bei der Förderung und der Organisation von Kooperationen innerhalb der Astronomie-Forschung. ESO betreibt drei einzigartige Beobachtungsstationen in Chile: in La Silla, Paranal und Chajnantor. In Paranal steht das sogenannte Very Lage Telescope (VLT), die weltweit modernste optische Sternwarte, sowie zwei Durchmusterungsteleskope (Survey Telescope). VISTA arbeitet im Infrarotbereich und ist das weltweit größte Durchmusterungsteleskop; das VLT Survey Telescope ist das größte Teleskop, das ausschließlich mit Hilfe von sichtbarem Licht den Himmel untersucht. Des Weiteren ist ESO europäischer Partner beim Bau des revolutionären astronomischen Teleskops ALMA. Das Projekt stellt die größte je dagewesene astronomische Partnerschaft dar. ESO plant momentan ein 39-Meter großes European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, das E-ELT. Es soll das „weltweit größte Auge zum Himmel“ werden.
Information zum Very Large Telescope Interferometer (VLTI):
University of California Santa Barbara, USA
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel, Germany
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