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Sonntag, 04.12.2016
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Schwarzes Loch mit faszinierendem Rhythmus

Lichtpulse ermöglichen Nachweis eines seltenen intermediären Schwarzen Loches

Schwarzes Loch mit Taktgefühl: US-Astronomen haben erstmals die Masse eines seltenen intermediären Schwarzen Loches genauer bestimmt. Dabei nutzten sie den regelmäßigen Rhythmus, mit dem die Materie um das Schwarze Loch Röntgenblitze aussendet: Er entspricht einem geradezu musikalischen Takt. Weitere Forschung soll nun den Entstehungsmechanismus der mittelschweren Schwarzen Löcher klären, schreiben die Forscher im Magazin "Nature".
Blick auf die Galaxie Messier 82 und das Schwarze Loch M82 X-1.

Blick auf die Galaxie Messier 82 und das Schwarze Loch M82 X-1.

Schwarze Löcher sind im Universum alles andere als selten: Allein in unserer Heimatgalaxie gibt es möglicherweise etwa 100 Millionen dieser mysteriösen astronomischen Objekte. Beinahe alle Schwarzen Löcher gehören zu einer von zwei Kategorien: Solche mit der zehn- bis hundertfachen Masse unserer Sonne sind die Überbleibsel ausgebrannter Sterne. Demgegenüber stehen die kosmischen Schwergewichte: Supermassereiche Schwarze Löcher mit mehreren Millionen Sonnenmassen befinden sich wahrscheinlich im Zentrum der meisten Galaxien.

Mysteriöse intermediäre Schwarze Löcher


Dazwischen gibt es aber noch eine dritte Kategorie, die noch um ein Vielfaches mysteriöser ist: die intermediären Schwarze Löcher, mit wenigen hundert bis tausend Sonnenmassen. Sie sind so selten und schwierig zu beobachten, dass lange umstritten war, ob es sie überhaupt gibt – bislang fehlt nämlich auch jede Erklärung, wie sie entstehen könnten. "Astronomen haben sich lange gefragt: Existieren diese Objekte oder existieren sie nicht? Was für Eigenschaften haben sie?", sagt Richard Mushotzky von der University of Maryland. "Bis jetzt hatten wir keine Daten, um diese Fragen zu beantworten."

Astronomen unter der Leitung von Mushotzky haben nun ein solches intermediäres Schwarzes Loch so genau vermessen wie noch nie zuvor. Damit haben sie auch bewiesen, dass diese rätselhaften Objekte tatsächlich existieren. Das Schwarze Loch mit dem Namen M82 X-1 ist etwa 428-mal so schwer wie unsere Sonne und liegt in der zwölf Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Messier-82, im Sternbild des Großen Bären. Diese Masse ist den Forschern zufolge genau die richtige für ein Schwarzes Loch der intermediären Kategorie.


Massebestimmung mit Bossa-Nova-Rhythmus


Zuhilfe kam den Forschern für diesen Nachweis ein glücklicher Zufall: Das Schwarze Loch M82 X-1 blinkt in einem äußerst nützlichen Rhythmus. Genauer gesagt stammt dieses Blinken von der Materiewolke, die das Schwarze Loch umgibt: Solche Materie strahlt im sichtbaren und im Röntgenbereich und macht die Beobachtung der ansonsten unsichtbaren Schwarzen Löcher erst möglich.

Entstehung von rhythmischen Röntgenpulsen an Schwarzen Löchern, am Beispiel der Objekte GRS 1915 und IGR J17091, gemessen mit dem Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) Satellitenteleskop.

Erstautor Dheeraj Pasham entdeckte in mit dem Satellitenteleskop Rossi aufgezeichneten Röntgendaten von M82 X-1 zwei regelmäßig wiederkehrende Blitze mit Frequenzen von 5,1 Hertz und 3,3 Hertz. Das entspricht einem Verhältnis von 3:2. Mushotzky vergleicht diese Blitze mit Staubkörnchen in den Rillen einer Vinyl-Schallplatte: In der Musik entspräche ihr Takt einem mittelamerikanischen Bossa Nova – allerdings einem sehr schnellen.

Weitere Arbeit für Theoretiker


Vor allem aber ermöglichen solche regelmäßigen Taktverhältnisse den Astronomen, die Masse eines Schwarzen Loches zu bestimmen. Bei kleineren Schwarzen Löchern hatte diese Methode bereits zuvor zum Erfolg geführt. Für die intermediäre Kategorie und deren Nachweis ist sie jedoch völlig neu. M82 X-1 gehörte bereits zuvor zu den zahlreichen Kandidaten eines intermediären Schwarzen Lochs. Mit etablierten Methoden ließ sich die Masse der schwer zu fassenden Objekte jedoch nicht ausreichend genau messen, und damit war auch die genaue Kategorie nicht zu erkennen. Der 3:2-Takt hat dieses Problem nun behoben.

Wie intermediäre Schwarze Löcher entstehen, können die Astronomen noch nicht erklären. Das soll jedoch das Ziel weiterer Forschungsarbeit sein: "Wir mussten zuerst ihre Existenz durch Beobachtungen bestätigen", sagt Erstautor Dheeraj Pasham. "Jetzt können sich die Theoretiker an die Arbeit machen." Das Rossi-Teleskop steht für weitere Forschung allerdings nicht mehr zur Verfügung: Anfang 2012 stellte die NASA seinen Betrieb ein. In etwa zwei Jahren soll jedoch der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) starten und genau solche Aufgaben übernehmen. Pasham hat bereits sechs mögliche intermediäre Schwarze Löcher identifiziert, denen NICER seine Aufmerksamkeit widmen könnte.
(Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13710)
(University of Maryland, 19.08.2014 - AKR)
 
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