Kurz vorm Einlochen. Im Zentrum von Galaxien wie der Milchstraße vermuten Forscher supermassive schwarze Löcher, die selbst Sterne (hier einen weißen Zwerg) verschlucken. Das schlussfolgern Forscher aus der dabei entstehenden Strahlung. Illustration: Nasa/CXC/M. Weiss
© Illustration: Nasa/CXC/M. Weiss

Astronomie Ein Reporter vom Rande des Lochs

Ein zerfetzter Stern hilft Astronomen, die Rätsel supermassiver Schwarzer Löcher zu ergründen.

So faszinierend Schwarze Löcher sind, so schwer ist es, sie zu erforschen. Naturgemäß dringt kein messbares Signal aus diesen Schwerkraftmonstern, sodass ihre Eigenschaften allenfalls indirekt ermittelt werden können. Zwei Dinge interessieren Astronomen dabei besonders: die Masse und die Rotation. Erstere lässt sich noch einigermaßen gut abschätzen anhand der Eigenschaften ihres Einflussbereichs, wie etwa Masse und Geschwindigkeitsverteilung der Sterne nahe dem Zentrum einer Galaxie. Dort wird in den meisten Fällen ein supermassives Schwarzes Loch vermutet, das einige Zehntausend bis hin zu mehreren Milliarden Sonnenmassen haben kann. Die Rotation dieser Giganten hingegen ist schwer zu ermitteln.

Röntgenstrahlung eines zerfetzten Sterns verrät Details über Schwarzes Loch

Einem internationalen Forschungsteam ist dies nun gelungen – dank eines Sterns, der infolge der Schwerkraftwirkung zerfetzt wurde und dessen Trümmer eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendeten. Davon berichtet das Team um Dheeraj Pasham vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge im Fachmagazin „Science“ sowie auf einer Astronomiekonferenz in Seattle.

Sie hatten großes Glück. Normalerweise dösen supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien und sind für Astronomen schwer aufzuspüren. Sie machen sich nur deutlich bemerkbar, wenn ihnen ein Stern so nahe kommt, dass er von der Anziehungskraft zerrissen wird. Das passiert im Schnitt nur alle paar Zehntausend Jahre. Doch die Folgen eines solchen „Tidal Disruption Event“ sind dramatisch: Die Sternenfetzen heizen sich kräftig auf, sodass die Materie Röntgen- und UV-Strahlung aussendet. Die Brösel werden von der starken Gravitation angezogen, ein Teil davon fliegt alsbald hinter den Ereignishorizont und verschwindet auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch, der Rest umkreist es in engem Abstand weiter.

Wenn die Materie ungleich verteilt ist, sollte sie auf ihrem Rundkurs die Strahlung wie ein Leuchtturm periodisch in alle Richtungen schicken, überlegte Pasham und begann mit seinem Team in den Beobachtungsdaten von Röntgenteleskopen zu suchen. Sie konzentrierten sich auf ein Ereignis namens ASASSN-14li, ein Tidal Disruption Event, das am 22. November 2014 registriert worden war und in knapp 300 Millionen Lichtjahren Entfernung von der Erde stattgefunden hatte. Sowohl in den Daten des europäischen Röntgensatelliten „XMM-Newton“ als auch in denen der amerikanischen Satelliten „Chandra“ und „Swift“ fand Parsham ein starkes periodisches Signal. Die Röntgenstrahlung war um 40 Prozent stärker als üblich, die Pulse erreichten alle 131 Sekunden ihren Höhepunkt und das Ganze war über mehr als 450 Tage zu beobachten.

Messungen waren nur durch eine seltene Sternkonstellation möglich

Anhand der Messdaten schätzten die Wissenschaftler, dass die Masse des Schwarzen Lochs wahrscheinlich bei rund zwei Millionen Sonnenmassen liegt, sagt Pasham. Die Rotation sei schwieriger anzugeben; der Wert variiere, je nachdem wo sich ein Beobachter befinde und welchen Punkt er anschaue, um die Bewegung zu messen. „Ein Vergleich mit der Erde könnte helfen, die Zusammenhänge zu verstehen“, ergänzt der Forscher. „Der Ereignishorizont ist mehr als 300-mal größer als die Erde und vollzieht in weniger als zwei Minuten eine vollständige Drehung – verglichen mit der Erde, die dafür 24 Stunden benötigt.“

Dass die Tücke oft im Detail steckt, merkten auch bald Pasham und sein Team, als sie versuchten, die Ursache des periodischen Signals präzise zu erklären. Sie entwarfen verschiedene Szenarien, doch wirklich überzeugen konnte nur eines. Dies erfordert nicht nur einen Stern, der zerrissen wird, sondern noch einen weiteren, kleinen Stern – einen Weißen Zwerg, der das Schwarze Loch dicht umkreist. Den Wissenschaftlern zufolge geschah Folgendes: Der Weiße Zwerg drehte seine Runden auf einer Bahn, die gerade noch weit genug entfernt war, dass er nicht ins Dunkel stürzte. Allerdings würde der Weiße Zwerg nicht genügend Strahlung aussenden, um entdeckt zu werden. Für Teleskope in Erdnähe bliebe er verborgen, wie auch das Schwarze Loch, das er umrundet. Bis schließlich ein zweiter Stern in der Nähe auftaucht und der Schwerkraftfalle so nah kommt, dass er zerfetzt wird und die heißen Bruchstücke in hellem Röntgenlicht erstrahlen. Einige der Trümmer stürzen ins Loch, ein Rest verbleibt auf der stabilen Umlaufbahn, wo auch der Weiße Zwerg seine Runden dreht. Dabei sammelt er die Bruchstücke auf, die sich wie ein Mantel aus heißen, strahlenden Partikeln über seinen Körper legen. Derart markiert wird der kreisende Weiße Zwerg auch für Röntgenteleskope sichtbar, die seinen Vorbeiflug alle 131 Sekunden registrieren. Hält man sich vor Augen, wie selten eine solche Konstellation ist und dass diese wohl nur für einige Hundert Jahre anhält, hätten sie großes Glück gehabt, diese Messungen zu machen, betonen die Autoren.

Mit statistischen Methoden könnten Ursprung und Entwicklung schwarzer Löcher nachvollzogen werden

Tatsächlich wurden bislang überhaupt nur wenige Dutzend solcher Tidal Disruption Events erfasst, ergänzt Andrea Merloni, der am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching zu Schwarzen Löchern forscht und an der aktuellen Studie nicht beteiligt ist. Allerdings habe man inzwischen gut verstanden, wie sich diese Ereignisse aufspüren lassen, und habe entsprechende Beobachtungsprogramme entworfen. Merloni etwa ist am deutschen Röntgenteleskop „eROSITA“ beteiligt, das im April ins All gebracht werden und den Himmel nach Röntgenquellen durchmustern soll.

„Ich hoffe, dass wir noch viele solcher Tidal Disruption Events entdecken“, sagt der Astrophysiker. Sollte sich bestätigen, dass diese die häufigste Ursache für die periodischen Röntgensignale in der Nähe von supermassiven Schwarzen Löchern sind, wäre die von Pashams Team beschriebene Methode die vielversprechendste, um Masse und Rotation dieser kosmischen Objekte zu bestimmen, hofft Merloni: „Wenn wir diese Parameter für eine große Zahl Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien kennen, können wir mithilfe statistischer Methoden ihren Ursprung und ihre Entwicklung im Lauf der Zeit nachvollziehen.“

Neuigkeiten über die "kleinen" Verwandten der supermassiven Schwarzen Löcher, die stellaren Schwarzen Löcher, stellen Forscher im Fachmagazin "Nature" vor: Die gasreiche Region um sie herum wird kleiner, wenn sie "fressen". Das zeigen Messungen von Röntgenstrahlen.

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