Das große Fressen

  • 23. July 2015

Mischung aus interstellarem Gas und Sternen lässt schwarze Löcher kräftig wachsen.

Mit Archivdaten aus der Himmelsdurchmusterung des Sloan Digital Sky Survey, ergänzt durch Daten der XMM-Newton- und Chandra-Röntgen­teleskope, entdeckten Astronomen des MPI für extra­terres­trische Physik in Garching ein riesiges schwarzes Loch, während es wahr­schein­lich einen großen, nahen Stern zerriss und verschlang. Mit einer Masse die hundert Milli­onen Sonnen entspricht, ist es das größte schwarze Loch, das bisher bei einem derartigen Vorgang beobachtet werden konnte.

Abb.: Momentaufnahme aus einer Computersimulation, in der ein Stern durch ein sehr massereiches schwarzes Loch in der linken unteren Ecke des Bildes zerrissen wird. Etwa die Hälfte des zerstörten Sterns bewegt sich auf elliptischen Bahnen um das Schwarze Loch und bildet eine Akkretionsscheibe, die schließlich hell in optischen und Röntgenwellenlängen aufleuchtet. (Bild: J. Guillochon, Harvard Univ. / E. Ramirez-Ruiz, Univ. Cal. Santa Cruz)

Abb.: Momentaufnahme aus einer Computersimulation, in der ein sehr masse­reiches schwarzes Loch in der linken unteren Ecke des Bildes einen Stern zerreißt. Etwa die Hälfte des zerstörten Sterns bewegt sich auf ellip­tischen Bahnen um das schwarze Loch und bildet eine Akkre­tions­scheibe, die schließlich hell in optischen und Röntgen­wellen­längen aufleuchtet. (Bild: J. Guillochon, Harvard U. / E. Ramirez-Ruiz, UCSC)

Andrea Merloni und die Mitglieder seines Teams am MPE werteten das riesige Daten­archiv des Sloan Digital Sky Survey aus, in Vorbe­reitung auf eine zukünftige Satelliten­mission im Röntgen­bereich. Die SDSS-Himmels­durch­muste­rung beobachtet regel­mäßig einen großen Teil des Nachthimmels im optischen Licht. Dazu werden Spektren von Millionen Galaxien und schwarzen Löchern genommen – aus unterschiedlichen Gründen für einige Objekte mehrmals. Als sich das Team eines dieser Objekte mit mehreren Spektren mit der Katalog­nummer SDSS J0159+0033 genauer ansah, fiel ihnen eine erstaun­liche Veränderung auf.

„In der Regel ändern sich Galaxien nur unwesentlich im Laufe des Arbeitsleben eines Astronomen, also auf einer Zeitskala von Jahren oder Jahrzehnten“, erklärt Andrea Merloni, „aber dieses Objekt zeigte eine dramatische Verän­derung seines Spektrums, genau so, als ob das zentrale schwarze Loch ein- und wieder ausge­schaltet wurde.“ Dies passierte zwischen 1998 und 2005, aber niemandem war das seltsame Verhalten dieser Galaxie aufgefallen – bis Ende letzten Jahres, als zwei Gruppen von Wissen­schaftlern bei der Vorbereitung zur nächsten, vierten Generation der SDSS-Himmels­durch­muste­rung unabhängig über diese Daten stolperten. Durch einen glücklichen Zufall machten die beiden wichtigsten derzeitigen Röntgen­observa­torien, XMM-Newton der ESA und Chandra der NASA, zeitnah zum Maximum des Aufleuchtens ebenfalls Bilder dieser Himmels­region, und noch einmal etwa zehn Jahre später. Diese energie­reiche Strahlung lieferte den Astronomen einzig­artige Informationen, wie das Material in unmittel­barer Nähe zum zentralen schwarzen Loch verarbeitet wird.

Gigantische schwarze Löcher gibt es in den Zentren aller großen Galaxien im Universum. Die meisten Astronomen gehen davon aus, dass sie ihre enorme, heute beobachtete Größe größten­teils durch die Fütterung mit inter­stellarem Gas erreichten. Das Gas ist dabei nicht in der Lage, der riesigen Anziehungs­kraft des schwarzen Lochs zu entkommen und wird von diesem verschlungen. Ein solcher Prozess erfolgt über eine sehr lange Zeit – Dutzende bis Hunderte von Millionen Jahren – und kann aus einem relativ kleinen schwarzen Loch, das bei der Explosion eines schweren Sterns erzeugt wird, ein Super-Schwergewicht machen, wie sie im Zentrum von Galaxien lauern.

Allerdings enthalten Galaxien auch mehrere Milliarden Sterne. Einige Pechvögel davon können zu nahe an das zentrale schwarze Loch geraten, wo sie durch extreme Gezeiten­kräfte auf spektakuläre Weise zerrissen werden. Überreste des Sterns wirbeln Stück für Stück in das schwarze Loch und produzieren riesige Strahlenausbrüche, die einige Monate bis zu einem Jahr lang so hell wie alle übrigen Sterne in der Galaxie aufleuchten. Diese seltenen Ereignisse heißen Tidal Disruption Flares, TDFs.

Merloni und seinen Mitarbeitern war schnell klar, dass das beobachtete Aufleuchten nahezu perfekt die Erwartungen der theore­tischen Modelle erfüllt. Mit einer geschätzten Masse von hundert Millionen Sonnen­massen, handelt es sich nämlich um das größte schwarze Loch, das beim „Stern-zerreißen“ bisher je entdeckt wurde. Die schiere Größe des Systems ist jedoch nicht die einzige interes­sante Aspekt dieses Strahlungs­ausbruchs; es ist auch das erste System, bei dem die Wissen­schaftler mit einiger Sicherheit annehmen können, dass sich das schwarze Loch in jüngster Zeit – einige zehntausende Jahre – standard­mäßig von inter­stellarem Gas ernährte. Dies ist ein wichtiger Hinweis darauf, welchen Speiseplan schwarze Löcher haben – eine gute Mischung aus Sternen und Gas.

Merloni wundert sich: „Wir hätten dieses einmalige Objekt bereits vor zehn Jahren entdecken können, aber wir wussten nicht, wonach wir suchen müssen. In der Astronomie geschieht es recht häufig, dass wir den Fortschritt in unserem Verständnis des Kosmos zufälligen Entdeckungen verdanken. Jetzt haben wir eine bessere Vorstellung davon, wie wir mehr solche Ereignisse finden können; und zukünftige Instrumente werden unsere Reichweite erheblich erweitern.“

In weniger als zwei Jahren soll das neue leistungs­starke Röntgen­teleskop eRosita, das derzeit am MPE gebaut wird, auf dem russisch-deutschen SRG-Satelliten starten und den gesamten Himmel mit der richtigen Taktung und Empfind­lichkeit durch­mustern, und dabei hunderte neuer TDFs zu entdecken. Auch große optische Teleskope werden derzeit entwickelt und gebaut, um den zeitlich veränder­lichen Himmel zu studieren. Diese Beobachtungen sollen wesentlich zur Lösung des Rätsels um die Ernährung schwarzer Löcher beitragen.

MPE / DE

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