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Eine Illustration der zentralen aktiven Region einer Galaxie, die von einem supermassiven schwarzen Loch gespeist wird (Bildnachweis: JAXA)

Weniger als ein Jahr nach dem Start der japanischen X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission in den Weltraum liegen nun die ersten Ergebnisse des Weltraumteleskops vor – und sie sind verblüffend.

Das Röntgenteleskop, auch bekannt als XRISM, wird von der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) unter Beteiligung der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) betrieben. Seine ersten Beobachtungen haben die Struktur, Bewegung und Temperatur von Material, das um ein supermassives Schwarzes Loch herumwirbelt, sowie die Dynamik von Supernova-Trümmern, die den Tod eines massereichen Sterns markieren, erfasst.

„Diese neuen Beobachtungen liefern wichtige Informationen, um zu verstehen, wie Schwarze Löcher wachsen, indem sie die sie umgebende Materie einfangen, und bieten neue Einblicke in das Leben und den Tod massereicher Sterne“, sagte Matteo Guainazzi, Projektwissenschaftler bei ESA XRISM, in einer Erklärung. „Sie zeigen die außergewöhnlichen Fähigkeiten der Mission bei der Erforschung des Hochenergie-Universums.“

Die Region um das beobachtete supermassive Schwarze Loch, das sich in der Galaxie NGC 4151 befindet und etwa 62 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist, hat etwas mit den Überresten der beobachteten Supernova gemeinsam, die Supernova N132D genannt wird und etwa 160.000 Lichtjahre entfernt ist.

Beide werden von überhitztem Gas, dem sogenannten „Plasma“, beherrscht.

Plasma erzeugt hochenergetisches Röntgenlicht, und XRISM ist das perfekte Instrument, um diese Art von Licht zu beobachten. So haben die Astronomen neue Einblicke in die gewaltigsten, turbulentesten und mächtigsten Regionen des Kosmos gewonnen.

Ausgehend von supermassiv

XRISM untersuchte das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Spiralgalaxie NGC 4151, um zu erfahren, wie der kosmische Titan, dessen Masse 30 Millionen Mal größer ist als die der Sonne, Materie verschlingt. Die Raumsonde enthüllte Details über das Material, das sich in unmittelbarer Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs befindet.

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Ein Diagramm mit Daten, die vom JAXA-Röntgenteleskop XRISM gesammelt wurden, zeigt die Verteilung der Materie, die in das supermassive Schwarze Loch in der Galaxie NGC 4151 fällt, über einen großen Radius, der von 0,001 bis 0,1 Lichtjahre reicht. (Bildnachweis: JAXA)Mit

XRISM konnten die Astronomen das Plasma verfolgen, das das supermassive schwarze Loch in einer Entfernung von etwa 0,1 Lichtjahren umkreiste. Dieses Material bewegte sich allmählich nach innen in eine Entfernung von etwa 0,001 Lichtjahren (etwa die Entfernung zwischen der Sonne und Uranus), bevor es in das Schwarze Loch fiel.

Unter besonderer Berücksichtigung der Röntgensignatur von Eisenatomen konnte das Team mehrere Strukturen um das Schwarze Loch herum bestimmen, darunter die Akkretionsscheibe, die es allmählich speist, und einen weiter entfernten, donutförmigen „Torus“ aus Gas und Staub. Andere Instrumente haben diese Strukturen bereits mit Radiowellen und infrarotem Licht beobachtet, aber die von XRISM verwendete Technik ist die erste, die bestimmen kann, wie das Plasma um ein supermassives Schwarzes Loch geformt ist und wie es sich bewegt.

Die Daten könnten den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich supermassive schwarze Löcher ernähren und wachsen, indem sie gierig Materie aus ihrer Umgebung verzehren.

Supernova-Status

Das Supernova-Wrack N132D ist viel näher an unserem Zuhause als das supermassive Schwarze Loch von NGC 4151. Es befindet sich in der benachbarten Zwerggalaxie der Milchstraße, der Großen Magellanschen Wolke. Das bedeutet jedoch nicht, dass die XRISM-Beobachtungen dieser Region des Weltraums weniger beeindruckend oder wichtig sind.

Diese interstellare „Plasmablase“ wurde von einem massereichen Stern etwa 3.000 Jahre vor der Zeit, in der XRISM sie sieht, ausgestoßen (man darf nicht vergessen, dass das Licht aus dieser Region des Weltraums 160.000 Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen).

Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass sich die Trümmer von Supernovae gleichmäßig in Form einer relativ einfachen, kugelförmigen Plasmahülle nach außen ausdehnen. Die XRISM-Beobachtungen von N132D, die mit dem Resolve-Instrument gemacht wurden, scheinen dem zu widersprechen, denn die Überreste haben eher die Form eines Donuts.

Dieses Bild zeigt die Beobachtung des Supernova-Überrests N132D mit dem Röntgenteleskop XRISM der JAXA. (Bildnachweis: JAXA)

Das Team konnte anhand der XRISM-Daten auch feststellen, dass dieses Material mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,6 Millionen Meilen pro Stunde nach außen drängt. Das ist etwa 2.000 Mal so schnell wie die Höchstgeschwindigkeit eines Lockheed Martin F-16 Kampfjets.

Und das war nicht das einzig Extreme an diesem Supernova-Überrest. Das Team konnte feststellen, dass er eine Temperatur von 18 Milliarden Grad Fahrenheit (10 Milliarden Grad Celsius) hat. Zum Vergleich: Das Herz der Sonne hat eine Temperatur von nur 27 Millionen Grad Fahrenheit (15 Millionen Grad Celsius).

Beobachtungen wie diese könnten den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie Elemente, die im Herzen massereicher Sterne geschmiedet werden, im Kosmos verteilt werden, wenn diese Sterne explodieren. Da diese Elemente dann in die nächste Generation von Sternen integriert werden, ist dies ein wichtiger Teil des Zyklus von Leben und Tod eines Sterns.

Seit dem Start von XRISM am 7. September 2023 hat das Wissenschaftsteam hart daran gearbeitet, die Leistung seiner Instrumente zu etablieren und die Methoden der Datenanalyse anhand von 60 Schlüsselzielen zu verfeinern.

Wissenschaftler aus der ganzen Welt haben bisher über 3000 Vorschläge für Studien mit XRISM eingereicht, von denen 104 angenommen wurden. Diese erfolgreichen Beobachtungsprogramme werden im nächsten Jahr beginnen, wobei die ersten Ergebnisse darauf hindeuten, dass wir noch nicht das Beste von XRISM gesehen haben.

Die beiden Forschungsarbeiten des XRISM-Teams sind auf der Repository-Website arXiv verfügbar.