Astronomie Hubble: Hinweise auf seltenes mittelgroßes schwarzes Loch

Astronomen suchen seit langem nach schwarzen Löchern mittlerer Größe mit einigen hunderttausend Sonnenmassen. Ein Forscherteam hat jetzt mit der Hilfe von Hubble einen vielversprechenden Kandidaten gefunden.

Schwarzes Loch 1 min
Bildrechte: NASA/ESA and G. Bacon (STScI)

Diese Animation der ESA ziegt, wie ein schwarzes Loch in einem fernen Sternehaufen aussehen könnte.

Mi 01.04.2020 12:12Uhr 00:28 min

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Rechte: NASA, ESA, and M. Kornmesser

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Sie fehlen im Puzzle des Universums, sind offenbar flüchtig und deshalb sehr schwer zu finden: Mittelgroße schwarze Löcher. Diese bizarren Objekte im Weltraum wären das bisher nur theoretisch angenommene Zwischenstück zwischen sogenannten stellaren und supermassiven schwarzen Löchern. Erstere sind in der Regel zwischen drei und einhundert Sonnenmassen schwer und wurden in den 1970ern zum ersten Mal beobachtet. Zweitere ruhen in den Zentren der meisten Galaxien und haben zwischen einer und mehreren hundert Millionen Sonnenmassen. Eines davon haben Astronomen im vergangenen Jahr zum ersten Mal fotografiert.

50.000 Sonnenmassen: Schwarzes Loch in der gesuchten Zwischenkategorie

Dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops identifizierte den Ort eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse (IMBH), das über 50 000 Mal die Masse unserer Sonne wiegt (und damit viel kleiner ist als die supermassiven Schwarzen Löcher, die in den Zentren von Galaxien gefunden werden). Das Schwarze Loch mit der Bezeichnung 3XMM J215022.4-055108 ist durch den weißen Kreis gekennzeichnet.
Bildrechte: NASA, ESA, and D. Lin (University of New Hampshire)

Dafür, dass es auch Schwarze Löcher in mittleren Größen gibt, gab es zwar bereits 2003 erste Hinweise. Richtig deutlich waren die Daten bislang aber nie. Nun aber gibt es einen guten wissenschaftlichen Nachweis von einem Team um Dr. Dacheng Lin, Astrophysiker an der Universität New Hampshire in den USA. Die Forscher haben mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops ein schwarzes Loch entdeckt, das wahrscheinlich etwas mehr als 50.000 Sonnenmassen hat und damit in die gesuchte Zwischenkategorie fällt.

Lin und Kollegen kombinierten für ihre Studie Messungen mit den Röntgenteleskopen Chandra und XMM-Newton mit optischen Beobachtungen durch Hubble. So haben sie präzise Daten erhalten aus einer Röntgenstrahlenquelle mit der etwas sperrigen Abkürzung: 3XMM J215022.4−055108. Ausgangspunkt waren erste Messungen von 2006, bei denen Forscher einen massiven Ausbruch von Röntgenstrahlung feststellten. Lin und Kollegen vermuten, dass sie von einem Stern stammen, der einem schwarzen Loch zu nahe kam und auseinander gerissen wurde.

Die Wissenschaftler mussten andere mögliche Ursachen für diese Strahlung ausschließen, etwa Neutronensterne in unserer Milchstraße. Dann aber zeigte sich, dass die Quelle am Rand einer fernen Galaxie, in der Mitte eines Kugelsternhaufens lag. Die Forscher vermuten, dieser Haufen könnte einst selbst eine Minigalaxie gewesen sein, die von der nahen, größeren Galaxie angezogen und verschluckt wurde. Das mittelgroße schwarze Loch wäre der Mittelpunkt dieser Minigalaxie gewesen. Die Größe von 50.000 Sonnenmassen schätzen sie aufgrund der gemessenen Röntgenstrahlung.

Schwarze Löcher – Bizarre Massegiganten

Schwarze Löcher sind unendlich dichte Ansammlungen von Masse. Diese in einem Punkt konzentrierte Masse entfaltet eine enorme Schwerkraftwirkung. Dar Grund dafür: Schwerkraft wirkt umso stärker, je näher man dem Zentrum einer Masse kommt. Auf der Erde sind wir durch den Boden relativ weit weg, vom Schwerkraftzentrum. Außerdem ist die Dichte des Planeten überschaubar. Deshalb können wir beispielsweise mit einer Rakete dem Gravitationsfeld entkommen.

Ist eine Masse aber unendlich verdichtet - wie in einem schwarzen Loch - wirkt die Schwerkraft auf ihr Umfeld so stark, dass man schneller als das Licht sein müsste, um dem Gravitationsfeld zu entkommen. Da sich aber nichts schneller bewegen kann als das Licht, kann einem schwarzen Loch nichts entkommen, nicht mal Licht.

Cygnus X1 – das erste beobachtete schwarze Loch

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und die darauf aufbauenden Berechnungen von Karl Schwarzschild hatten die Existenz solcher schwarzen Löcher bereits in den 1910er-Jahren vorhergesagt. Es dauerte aber bis in die 1970er-Jahre hinein, bis Astronomen zum ersten Mal einen solchen Schwerkraftgiganten entdecken konnten: Cygnus X1, ein sogenannter Röntgendoppelstern.

Die Forscher hatten systematisch nach einer Lichtquelle Ausschau gehalten, die sich von der Erde entfernt und ihr wieder näher kommt, sich also um ein anderes Objekt dreht, das wiederum aber nicht sichtbar ist. Mit Radioteleskopen stellten sie dann fest, dass dieses zweite Objekt starke Röntgenstrahlung aussendet. Die entsteht, wenn Gas in ein schwarzes Loch fällt.

Dabei wird es stark beschleunigt und bildet in der Regel eine sogenannte Akkretionsscheibe. In dieser Scheibe wird das Gas in extremen Geschwindigkeiten um das schwarze Loch herumgeschleudert. Dabei reiben die Gasatome aneinander, werden dadurch in ihre subatomaren Bestandteile zerlegt und setzen so Strahlungsenergie frei, die Astronomen mit Radioteleskopen beobachten können.

Inaktive schwarze Löcher: Keine Materie – keine Strahlung

Das ist aber nicht immer der Fall. Gerät kein Gas in die Nähe eines schwarzen Lochs, entsteht keine Strahlung. Astronomen sprechen in diesem Fall von einem inaktiven schwarzen Loch. Dieser Zustand ist offenbar der Regelfall.

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Künstlerische Darstellung: Der Stern wird durch die Gravitation des schwarzen Loches in die Länge gezogen und in einer Umlaufbahn um das schwarze Loch herumgeschleudert, bis er schließlich mit sich selbst kolidiert, wobei noch mehr heißes Material ins All geschleudert wird.
Künstlerische Darstellung: Der Stern wird durch die Gravitation des schwarzen Loches in die Länge gezogen und in einer Umlaufbahn um das schwarze Loch herumgeschleudert, bis er schließlich mit sich selbst kolidiert, wobei noch mehr heißes Material ins All geschleudert wird. Bildrechte: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science