Echo-Mapping Mit Schwarzen Löchern die Größe des Universums messen

Astronomen haben 20 Jahre lang das Umfeld supermassereicher Schwarze Löcher beobachtet. Ihre Akkretionsscheiben senden Licht aus, mit dessen Hilft die Entfernung zur Erde gemessen werden kann.

Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs und seiner Nachbarregion
Künstlerische Darstellung des zentralen Schwarzen Lochs und der Donutförmigen Staubregion in seiner Nachbarschaft. Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

Ein internationales Team von Astronomen um Quian Yang hat eine neue Methode entwickelt, Entfernungen im Universum mit Hilfe von Schwarzen Löchern zu vermessen. Wie die Forscher im Astrophysical Journal berichteten, nutzten sie sogenanntes "Echo Mapping". Dazu beobachteten sie supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von über 500 Galaxien, beziehungsweise vor allem die Gebiete um diese Löcher herum.

Supermassereiche Schwarze Löcher umgibt ein Donut aus Staub

Fällt Materie in ein solch ein zentrales Schwarzes Loch, sprechen Forscher von einem aktiven galaktischen Kern. Diese Kerne sind meist von Akkretionsscheiben umgeben, in denen sich das Material sammelt, das anschließend in die Löcher hineinfällt. Weil sich diese Scheiben sehr schnell drehen, reibt die Materie aneinander und beginnt zu leuchten. Die davon ausgehenden Lichtstrahlen reisen auch in die weitere Umgebung des Lochs, wo sich oft eine enorm große, donut-förmige Gaswolke befindet, die auch Torus genannt wird. Dieser Ring kann von einigen Lichtmonaten bis zu mehren Lichtjahren groß sein.

Indem die Forscher beobachten, wie lang das Licht von der Akkretionsscheibe bis zum äußeren Rand des Donuts unterwegs ist, können sie die genaue Entfernung dieser Strecke bestimmen, da Licht immer mit der konstanten Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde reist. Nun können sie anhand der Leuchtkraft der ganzen Region die Entfernung zu uns berechnen.

Daten von NEOWISE

In ihrem Zentrum, in der Akkretionsscheibe, leuchtet die Region am hellsten. Weiter außen sinken die Temperaturen. Fallen sie unter 1.200 Grad Celsius, kann sich Staub bilden. Wenn man also die Distanz zwischen Akkretionsscheibe und Staub kennt, lässt sich die Energieabstrahlung der Scheibe berechnen. Sie verhält sich proportional zu ihrer Leuchtkraft.

Weil das Licht zwischen Zentrum und Torus oft Monate bis Jahre unterwegs ist, brauchen die Wissenschaftler für Ihre Berechnungen allerdings umfangreiche Daten. Für die neue Studie haben sie rund 20 Jahre Beobachtungsdaten ausgewertet. Für den Zeitraum seit 2010 konnten sie dafür auf Daten das NASA Satelliten NEOWISE zurückgreifen (der in diesem Jahr auch den am Himmel sichtbaren Kometen entdeckte).

Wiederholte Messungen bringen mehr Genauigkeit

Die Forscher hinter der aktuellen Studie bedauern allerdings, dass ihre Messungen noch ungenau sind. Ein Grund dafür sei, dass man zu wenig über die Regionen um die Schwarzen Löcher wisse und hier genauere Informationen zu deren Aufbau brauche. Erst Mitte des Jahrzehnts startende neue Satelliten sollen hier mehr Grundlagen liefern. Aber auch die stete Wiederholung des Echo-Mappings könnte die Ergebnisse noch verbessern.

Das Schöne an der Echo-Mapping-Technik ist, dass diese supermassiven Schwarzen Löcher nicht so bald verschwinden. So können wir die Staubechos immer und immer wieder für dasselbe System messen, um die Entfernungsmessung zu verbessern.

Qian Yang, Forscher an der University of Illinois

(ens)

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