Diese Illustration von Material, das um ein Schwarzes Loch herumwirbelt, hebt ein besonderes Merkmal hervor, das als „Korona“ bezeichnet wird und im Röntgenlicht hell leuchtet. In dieser Darstellung ist die Korona als lilafarbener Dunst zu sehen, der über der darunter liegenden Akkretionsscheibe schwebt und sich etwas innerhalb ihres inneren Randes erstreckt.(Bildnachweis: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt)
Trotz ihres Namens sind Schwarze Löcher oft von hellen, strahlenden Materiestrudeln umgeben, die als Akkretionsscheiben bekannt sind – und typischerweise kann die enorme Schwerkraft eines Schwarzen Lochs umliegendes Gas oder sogar Sterne anziehen, die ultrastarke Jets elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum aussenden.
Ein hartnäckiges Rätsel sind jedoch die Struktur und der Aufbau der Koronen von Schwarzen Löchern – dynamische Plasmaregionen, die Teil des Materiestroms in die Schwarzen Löcher selbst sind. Ähnlich wie die Sonne der Erde und andere Sterne ist die Korona eines Schwarzen Lochs im Wesentlichen eine überhitzte Atmosphäre. Wie die NASA feststellt, können sie Temperaturen von Milliarden Grad erreichen.
Nun haben Forscher mit dem Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) der NASA Daten über 12 bekannte Schwarze Löcher gesammelt, um die strukturellen Eigenschaften der Akkretionsscheiben um unterschiedlich große Versionen dieser Objekte zu bestimmen. Anschließend untersuchten sie, wie sich diese Variablen auf die Form der Kronen der Schwarzen Löcher auswirken könnten.
Astrophysiker wissen schon seit einiger Zeit von den Koronen um Schwarze Löcher mit stellarer Masse – Schwarze Löcher, die typischerweise das 10- bis 30-fache der Sonnenmasse haben und durch einen stellaren Kollaps entstanden sind – und um supermassereiche Schwarze Löcher wie Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße.
„Wissenschaftler haben lange über den Aufbau und die Geometrie der Korona spekuliert“, sagte Lynnie Saade, eine Postdoktorandin am Marshall Space Flight Center der NASA und Hauptautorin der neuen Ergebnisse, in einer Pressemitteilung. „Handelt es sich um eine Sphäre über und unter dem Schwarzen Loch oder um eine Atmosphäre, die von der Akkretionsscheibe erzeugt wird, oder vielleicht um Plasma, das sich an der Basis der Jets befindet?“
IXPE war in der Lage, mittels Röntgenpolarisation in das Herz der Koronen der Schwarzen Löcher zu blicken. Das Konzept ähnelt dem, wie Astronomen die Korona der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis untersuchen. IXPE wiederum ermöglicht es den Astronomen, die Geometrie der Akkretionsscheibe und die damit verbundenen Strukturen wie die Koronen zu verstehen.
„Die Röntgenpolarisation bietet eine neue Möglichkeit, die Akkretionsgeometrie von Schwarzen Löchern zu untersuchen“, sagt Saade.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Korona bei allen beobachteten Klassen von Schwarzen Löchern in dieselbe Richtung wie die Akkretionsscheibe ausdehnt. Dies ist der erste Beweis dafür, dass die Koronen von Schwarzen Löchern eine strukturelle Beziehung zu den Akkretionsscheiben der Schwarzen Löcher aufweisen.
Zu den untersuchten Schwarzen Löchern gehörten Cygnus X-1 Cygnus X-3, binäre Schwarze-Loch-Systeme mit stellarer Masse, die etwa 7.000 und 37.000 Lichtjahre von der Erde entfernt sind, sowie LMC X-1 und LMC X-3, Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die in der Großen Magellanschen Wolke in etwa 165.000 Lichtjahren Entfernung leben. Auch eine Reihe supermassereicher Schwarzer Löcher wurde beobachtet, wie das im Zentrum der Circinus-Galaxie in etwa 13 Millionen Lichtjahren Entfernung sowie NGC 1068 und NGC 4151, die sich in 47 Millionen bzw. 62 Millionen Lichtjahren Entfernung befinden.
Das Spannendste an den Ergebnissen ist, so die Forscher, dass trotz des großen Massenunterschieds zwischen den untersuchten Schwarzen Löchern die IXPE-Daten darauf hindeuten, dass beide Akkretionsscheiben und Koronen von ähnlicher Geometrie haben.
„Stellarmasse-Schwarze Löcher reißen Masse von ihren Begleitsternen ab, während supermassereiche Schwarze Löcher alles um sich herum verschlingen“, sagte Philip Kaaret, leitender Forscher der IXPE-Mission, in einer Presseerklärung. „Dennoch funktioniert der Akkretionsmechanismus auf die gleiche Weise.“
Dies ist ein gutes Omen für die künftige Erforschung Schwarzer Löcher – wenn Forscher Schwarze Löcher mit Sternmasse in der Nähe ihrer Heimat untersuchen, können sie auch Rückschlüsse auf die Eigenschaften supermassereicher Schwarzer Löcher ziehen, die sich im Zentrum weit entfernter Galaxien befinden.
