XMM-Newton beobachtet letzte Momente eines Sterns vor dessen Verschwinden in einem Schwarzen Loch

Man geht davon aus, dass es im Zentrum aller massereicher Galaxien des Universums Schwarze Löcher gibt und dass diese untrennbar mit den Charakteristika ihrer Heimatgalaxie verbunden sind. Diese Kolosse genauer zu analysieren, hilft den Experten dabei, zu verstehen, wie sich Galaxien über die Zeit hinweg entwickeln.

In einem Schwarzen Loch herrscht extreme Gravitation. Diese ist so stark, dass sie Sterne, die den Schwarzen Löchern zu nahekommen, schlichtweg auseinanderreißt. Die verbleibenden Teile des Sterns bewegen sich dann spiralförmig immer näher auf das Schwarze Loch zu, heizen sich auf und geben starke Röntgenstrahlen ab.

Im Kosmos gibt es zahlreiche Schwarze Löcher, so die Annahme der Fachwelt. Allerdings sind viele von ihnen nicht aktiv und deshalb schwierig zu erforschen, da es kein Material gibt, das sich auf sie zubewegt, und daher auch keine Strahlung, die entdeckt werden könnte. Man geht allerdings davon aus, dass etwa alle paar hunderttausend Jahre ein Stern so nah an ein Schwarzes Loch gerät, dass er auseinandergerissen wird. Solche Prognosen sind zwar äußerst selten, dennoch ermöglichen sie es, die wesentlichen Charakteristika eines Schwarzen Loches, etwa seine Masse und seine Eigendrehung, kurz zu vermessen.

„Die Drehung eines Schwarzen Loches zu messen, ist sehr schwierig. Denn der Dreheffekt tritt nur sehr nah am Loch selbst auf. Dort ist die Gravitation allerdings extrem stark und die Sicht äußerst schlecht“, sagt Dheeraj Pasham vom MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research in Massachusetts, USA, Hauptautor der neuen Studie.

„Es gibt allerdings Modelle, die zeigen, dass sich aus der Masse eines zerrissenen Sterns eine Akkretionsschreibe bildet, die Röntgenstrahlen abgibt. Wir sind davon ausgegangen, dass das Auftreten einer besonders hell leuchtenden Scheibe die Messung der Eigendrehung des Schwarzen Loches erleichtern würde. Es ist uns allerdings nicht gelungen, diesen Bereich mit seiner starken Gravitation im Detail zu untersuchen – bis jetzt.“

Pasham und seine Kollegen haben das sogenannte Ereignis ASASSN-14li analysiert.

ASASSN-14li war am 22. November 2014 vom bodenbasierten Programm All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN) entdeckt worden, einem Netzwerk optischer Telskope. Das Schwarze Loch, das mit diesem Ereignis verknüpft ist, ist etwa eine Million mal so massiv wie die Sonne.

„ASASSN-14li gilt als der astronomische Stein von Rosette“, fügt Pasham hinzu, „sämtliche Eigenschaften sind charakteristisch für diese Art von Ereignissen – und es wurde von allen wichtigen, derzeit aktiven Röntgenteleskopen beobachtet.“

Die Wissenschaftler haben Aufzeichnungen des ESA-Weltraumobservatoriums XMM-Newton und des NASA-Observatoriums Chandra analysiert. Dabei waren sie vor allem auf der Suche nach einem stabilen Signal, das gleichzeitig das Wellenmuster aufzeigt, das oftmals ausgelöst wird, wenn ein Schwarzes Loch einen plötzlichen Zugang von Masse hat – zum Beispiel beim Verschlingen eines vorbeiziehenden Sterns.

Und die Astronomen wurden fündig. Sie entdeckten ein überraschend intensives Röntgenstrahl-Signal, das über eine Periode von 131 Sekunden hinweg oszillierte, und zwar 450 Tage lang.

Die Fachleute kombinierten diese Information mit der Masse und der Größe des Schwarzen Loches und kamen zu dem Ergebnis, dass es sich wahnsinnig schnell drehen muss – mehr als 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – und dass das Signal aus seinem tiefsten Innern kommt.

„Diese Entdeckung ist absolut außergewöhnlich: In der unmittelbaren Nähe eines Schwarzen Loches haben wir noch nie so ein helles Signal, das über eine so lange Zeit derart stabil geblieben ist, gesehen“, sagt Mitautorin Alessia Franchini von der Universität Mailand.

„Darüber hinaus kommt das Signal aus direkter Nähe des Ereignishorizontes des Schwarzen Loches – jenseits dieser Grenze können wir überhaupt nichts mehr beobachten. Denn dort ist die Gravitation so stark, dass noch nicht mal Licht entweicht.“

Die Studie demonstriert damit eine neuartige Methode der Vermessung der Eigendrehung von massiven Schwarzen Löchern, nämlich indem die Aktivität analysiert wird, die entsteht, wenn sie durch ihre Gravitation vorbeiziehende Sterne zerreißen. Solche Ereignisse können ebenfalls dabei helfen, Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu verstehen. Diese wurde zwar schon umfassend in „normalen“ Gravitationszuständen untersucht; inwieweit sie bei außergewöhnlich starker Gravitation gilt, ist aber noch nicht ausreichend erforscht.

„XMM-Newton kann solche Signale unglaublich gut aufzeichnen, und zwar mit einer Sensibilität, die alle anderen Röntgenteleskope übertrifft“, sagt Norbert Schartel, ESA-Projektwissenschaftler für XMM-Newton. „Der Satellit beobachtet die jeweiligen Weltraumregionen ununterbrochen über lange Zeiträume hinweg und mit einer extremen Genauigkeit. Genau das braucht man, um solche Signale überhaupt aufzeichnen zu können.“

„Wir fangen gerade erst an, zu begreifen, welch komplexe physikalische Abläufe hier am Werk sind. Das Entdecken von Ereignissen, bei denen die Masse eines zerrissenen Sterns besonders hell strahlt, ermöglicht es uns, eine Bestandsaufnahme der Schwarzen Löcher im Universum zu erstellen – und zu erforschen, wie sich Materie an extremen Orten und in extremen Bedingungen im Kosmos verhält.“

Amerkungen für Redakteure
„A remarkably loud quasi-periodicity after a star is disrupted by a massive black hole“ von D. R. Pasham et al. wurde im Fachmagazin Science veröffentlicht.

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Kontakt für weitere Informationen:

Dheeraj Pasham
MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research
Cambridge, MA, USA
Tel: +1-617-253-4845
Email: dheeraj@space.mit.edu

Alessia Franchini
University of Milan, Italy
University of Nevada, Las Vegas, USA
Email: alessia.franchini@unlv.edu

Norbert Schartel
XMM-Newton Project Scientist
European Space Agency
Email: norbert.schartel@esa.int

Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int