Forschung

Schwarze Löcher, kosmische Rätsel und energiereiche Strahlungsblitze

03.01.2020 - Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2019.

Es war die Sensation des Jahres – und sorgte gleichzeitig für Verwirrung: Wenn ein schwarzes Loch schwarz ist, also keinerlei Strahlung aussendet, wie kann man es dann abbilden? Tatsächlich zeigt das gefeierte erste Foto eines schwarzen Lochs gar nicht das schwarze Loch selbst, sondern seine Akkretionsscheibe. Gleichwohl handelt es sich um eine wissenschaftliche Meisterleistung und um eine Erfolgsgeschichte: Um die Strahlungsquelle im Zentrum der 53 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Messier 87 abzubilden, koppelten die Astrophysiker die Radioteleskope von acht global verteilten Observatorien, darunter das wiederum aus 66 Einzelantennen bestehende ALMA zum „Event Horizon Telescope“ zusammen, das nun die Detailschärfe einer Einzelantenne mit etwa 8000 Kilometer Durchmesser lieferte. Aus den Messungen leiten die Forscher eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen für das zentrale schwarze Loch von Messier 87 ab.

Auch im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein schwarzes Loch mit der im Vergleich bescheideneren Masse von vier Millionen Sonnen. Neues Licht auf die Entwicklung des schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum wirft eine Untersuchung der Sternentstehung in der zentralen galaktischen Scheibe, die offenbar in zwei Schüben verlaufen ist. Mehr als neunzig Prozent der dortigen Sterne entstanden demnach vor mindestens acht Milliarden Jahren. Eine zweite, kurze Phase intensiver Sternentstehung, die für etwa fünf Prozent der Sterne verantwortlich ist, fand vor etwa einer Milliarde Jahren statt. Zwischen diesen beiden Phasen entstanden kaum neue Sterne. Diese neu rekonstruierte Sternentstehungsgeschichte legt nahe, dass auch das zentrale schwarze Loch den größten Teil seiner heutigen Masse bereits vor acht Milliarden Jahren erreicht hat und seither kaum noch gewachsen ist.

Nobelpreise für drei Astrophysiker

Erneut ins Zentrum des Medieninteresses rückte die Astrophysik bei der Vergabe des Nobelpreises für Physik. Denn die Auszeichnung ging an drei Astrophysiker, die unseren Blick auf das Universum und den Platz der Erde darin revolutioniert haben. Der amerikanische Kosmologe James Peebles erhielt die Hälfte des Physik-Nobelpreises für seine theoretischen Entdeckungen auf dem Gebiet der physikalischen Kosmologie. Die andere Hälfte teilen sich die Schweizer Astronomen Michel Gustave Mayor und Didier Queloz für die erste Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist.

Mayor und Queloz legten damit den Grundstein für ein ganz neues Teilgebiet der Astrophysik: die Erforschung von Planeten bei anderen Sternen. Inzwischen kennen die Himmelsforscher 4150 Exoplaneten in 3085 Planetensystem – bei 675 Sternen sind jeweils mehrere Planeten bekannt. Stand Mitte Dezember 2019 – denn in schnellem Rhythmus kommen neue Entdeckungen hinzu. Ein Beispiel ist die Entdeckung von gleich 18 erdgroßen Exoplaneten in einem Teil der Archivdaten des US-amerikanischen Weltraumteleskops Kepler mithilfe einer neuen Analysemethode. Einer der neuen Exoplaneten zählt zu den kleinsten bisher bekannten, ein weiterer könnte lebensfreundliche Bedingungen aufweisen. Im gesamten Datenschatz der Kepler-Mission dürften sich nach Schätzungen noch mehr als hundert zusätzliche Exoplaneten verbergen, die sich mit dem neuen Verfahren ausfindig machen lassen könnten. Unter den zahlreichen Neuentdeckungen befinden sich auch immer mehr erdähnliche Planeten, die ihre Bahn in der lebensfreundlichen Zone ihres Zentralstern ziehen. Dazu zählen etwa die beiden Begleiter von Teegardens Stern, einem 12,5 Lichtjahre entfernten roten Zwerg, sowie einer der Planeten des 31 Lichtjahre entfernten Sterns GJ 357.

Während das Kepler-Teleskop im November 2018 nach einer überaus erfolgreichen Mission endgültig abgeschaltet wurde, geht die Suche mit neuen Instrumenten im All weiter. Dazu zählen Tess, der Transiting Exoplanet Survey Satellite der Nasa, sowie die am 18. Dezember gestartete Esa-Mission Cheops. Deren Name ist die Abkürzung für Characterising exoplanets known to be orbiting around nearby bright stars, also etwa: „Charakterisierung von Exoplaneten, die nahe helle Sterne umkreisen“. Cheops nimmt aus einer sonnensynchronen Erdumlaufbahn in siebenhundert Kilometern Höhe mehrere hundert helle Sterne ins Visier, die von erd- bis neptungroßen Exoplaneten umkreist werden, von denen aus bodengebundenen Messungen bereits die Masse bekannt ist.

Dunkle Kräfte und Streit um die kosmische Expansion

Während also Mayor und Queloz den Blick auf unsere Heimatwelt verändert haben – die Existenz von Planeten ist offenbar eher die Regel als die Ausnahme und es scheint nur noch eine Frage der Zeit zu sein, bis die Astronomen tatsächlich Biosignaturen bei erdähnlichen Planeten anderer Sternen nachweisen – hat James Peebles maßgeblich dazu beigetragen, den Blick auf das Universum als Ganzes zu revolutionieren. Er lieferte entscheidende theoretische Beiträge, um die Kosmologie zu der exakten Wissenschaft zu machen, die sie heute ist. Dabei nutzte er ab Mitte der 1960er-Jahre verschiedene astronomische Beobachtungen, um die heute als Standardmodell der Kosmologie bekannte Urknalltheorie auf eine solide theoretische Basis zu stellen.

Doch auch wenn das Urknallmodell heute unumstritten ist, stellt die Kosmologie die Forscher immer noch vor eine Reihe großer Rätsel – was verbirgt sich hinter der dunklen Materie, was ist die dunkle Energie, und wie schnell expandiert das Universum? Die Suche nach den Bestandteilen der dunklen Materie mithilfe von Teilchendetektoren auf der Erde blieb weiterhin erfolglos. Mit einem neuen Experiment wird auch am Desy nach den Partikeln der dunklen Materie gefahndet. Verblüffend für die Astrophysiker war in diesem Zusammenhang die Entdeckung, dass manche Galaxien offenbar keinen signifikanten Anteil an dunkler Materie enthalten.

Wie schnell unser Kosmos sich ausdehnt, beschreibt der Hubble-Parameter. Doch verschiedene Methoden liefern für diese Größe unterschiedliche Werte – und die Abweichungen sind größer, als die Fehlergrenzen der einzelnen Verfahren es erlauben. Mit anderen Worten: Die Ergebnisse sind nicht konsistent und deuten auf ein tieferliegendes Problem entweder bei den Beobachtungen, also übersehene systematische Fehler, oder bei der Interpretation der Daten, also dem kosmologischen Standardmodell.

Mithilfe von Gravitationslinsen gelang es Astronomen, die Abstände zu Hunderten von beobachteten Supernovae neu zu kalibrieren und so auch den Hubble-Parameter neu zu bestimmen. Das Ergebnis ist ein vergleichsweise hoher Wert für die kosmische Expansionsrate, der im Einklang steht mit Werten, die mit der Entfernungsleiter-Methode und Supernova-Daten bestimmt wurden. Zugleich steht auch er damit aber im Widerspruch zu Messungen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung. Es gibt also weiterhin einen signifikanten  systematischen Unterschied zwischen den direkt aus dem Abstand zu lokalen oder mittelweit entfernten Quellen gewonnenen und den indirekt aus der kosmischen Hintergrundstrahlung abgeleiteten Werten, für den es bislang keine Erklärung gibt.

Gammablitze noch energiereicher

Über kosmische Gammastrahlenblitze mit Rekordenergie berichteten gleich zwei Forscherteams unabhängig voneinander. Es handelt sich zugleich um die ersten Nachweise von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Gammastrahlen-Teleskopen. Beide Beobachtungen waren durch Gammastrahlen-Satelliten der Nasa ausgelöst worden, die den Himmel nach Gammablitzen absuchen und automatisch Benachrichtigungen verschicken. Die Teleskopanlage MAGIC registrierte Gammaquanten mit Energien zwischen 0,2 und 1 TeV – die bei weitem höchstenergetischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind. Die Erzeugung dieser extrem energiereichen Gammastrahlung physikalisch zu erklären, bleibt eine Herausforderung.

Rainer Kayser

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