Ein zweites Schwarzes Loch taucht durch die Akkretionsscheibe seines supermassereichen Begleiters und verursacht kosmischen „Schluckauf“ (Bildnachweis: Jose – Luis Ol ivares, MIT)
Ein supermassereiches Schwarzes Loch, das Schluckauf hat, hat Astronomen auf eine ganz neue Art von Verhalten von Schwarzen Löchern aufmerksam gemacht.
Im Jahr 2020 brach ein bisher ruhiges Schwarzes Loch im Herzen einer Galaxie, die etwa 800 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist und eine Masse von 50 Millionen Sonnen hat, plötzlich aus und erhellte das Material in seiner Umgebung um den Faktor 1.000.
Ein Forscherteam geht davon aus, dass diese periodischen Ausbrüche durch ein zweites, kleineres Schwarzes Loch verursacht werden, das in eine Gas- und Staubscheibe (Akkretionsscheibe) stürzt, die das supermassereiche Schwarze Loch umgibt, wodurch es wiederholt Materie ausstößt.
Die Ergebnisse stellen das herkömmliche Bild von der Funktionsweise der Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern in Frage. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass es sich um gleichförmige Scheiben aus Gas und Staub handelt, die um ein zentrales Schwarzes Loch rotieren. Die neuen Ergebnisse legen jedoch nahe, dass einige Akkretionsscheiben exotische Komponenten wie Sterne und sogar kleinere sekundäre Schwarze Löcher beherbergen könnten.
„Das ist ein anderes Tier. Es passt nicht zu allem, was wir über diese Systeme wissen. Wir dachten, wir wüssten eine Menge über Schwarze Löcher, aber dies zeigt uns, dass es noch viel mehr Dinge gibt, die sie tun können“, sagte Dheeraj „DJ“ Pasham, ein Wissenschaftler am Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des Massachusetts Institute of Technology, in einer Erklärung.
„Wir glauben, dass es viele weitere Systeme wie dieses geben wird, und wir müssen nur mehr Daten sammeln, um sie zu finden“, fügte Pasham hinzu.
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Eine Computersimulation eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse, das ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist und periodische Gasfahnen antreibt, die neue „Schluckauf“-Beobachtungen erklären können. (Bildnachweis: Petra Sukova, Astronomisches Institut der CAS)
Jagd auf ein „andersartiges“ Schwarzes-Loch-System
Das Team erhielt den ersten Hinweis auf dieses Schluckauf verursachende Schwarze Loch, als es die Daten des All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN) untersuchte, einem Netzwerk von 20 Teleskopen rund um den Globus, die einmal täglich den gesamten Himmel über der Erde abtasten.
Als ASAS-SN im Dezember 2020 den Himmel automatisch abtastete, sahen die Roboterteleskope eine Lichterscheinung in einem bis dahin ruhigen Bereich des Himmels, in dem sich eine Galaxie in etwa 800 Millionen Lichtjahren Entfernung befindet. Pasham verfolgte dieses Aufflackern mit dem Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), einem NASA-Röntgenteleskop auf der Internationalen Raumstation (ISS).
Pasham hatte nur noch wenig Zeit, um das ISS-Teleskop zu benutzen, das den Kosmos nach Röntgenausbrüchen absucht, die von Neutronensternen, schwarzen Löchern und anderen extremen Gravitationsphänomenen ausgehen.
„Entweder man benutzt es oder man verliert es, und es stellte sich heraus, dass ich Glück hatte“, sagte Pasham.
Der Forscher sah, dass diese Galaxie weiterhin aufflackerte, wobei ihr Ausbruch etwa vier Monate dauerte. Bei den NICER-Beobachtungen dieses Aufflackerns entdeckte Pasham ein merkwürdiges Muster von leichten Einbrüchen in der Röntgenstrahlung und der Energie des Ausbruchs alle 8,5 Tage. Das Signal ähnelte fast dem Einbruch des Lichts, der entsteht, wenn ein Exoplanet die Oberfläche seines Sterns kreuzt oder „durchquert“ und dabei kurzzeitig sein Sternenlicht blockiert.
„Ich habe mir den Kopf darüber zerbrochen, was das bedeutet, denn dieses Muster passt zu nichts, was wir über diese Systeme wissen“, fügte Pasham hinzu.
Eine künstlerische Illustration der NICER-Mission an Bord der Internationalen Raumstation. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Pashams Verwirrung wurde gelindert, als er Forschungsergebnisse fand, die nahelegten, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer Galaxie von einem Schwarzen Loch mittlerer Masse umkreist werden könnte, einem Schwarzen Loch mit einer Masse zwischen dem 100- und 10.000-fachen der Sonne.
Dieses kleinere schwarze Loch könnte sein größeres Gegenstück so umkreisen, dass es in die Akkretionsscheibe des supermassiven schwarzen Lochs hinein- und wieder herausfliegt. Beim Durchstoßen dieses Gases und Staubs stößt das kleinere Schwarze Loch eine Gasfahne aus. Jeder Tauchgang würde eine weitere Gasfahne erzeugen, daher das periodische Muster dieser „Schluckaufs“.
Wenn diese Gaswolken auf die Erde gerichtet sind, könnte man sie als plötzlichen Energieabfall des betroffenen Systems wahrnehmen, da das Licht der Akkretionsscheibe periodisch verdunkelt wird, genau wie das Sternenlicht durch einen vorbeiziehenden Exoplaneten.
„Ich war von dieser Theorie so begeistert, dass ich ihnen sofort eine E-Mail schickte und sagte: ‚Ich glaube, wir beobachten genau das, was Ihre Theorie vorhersagt'“, fügte Pasham hinzu.
Das veranlasste die Autoren dieser ersten Forschungsarbeit, Simulationen unter Einbeziehung der NICER-Daten zu erstellen. Diese bestätigten, dass das beobachtete 8,5-Tage-Signal wahrscheinlich das Ergebnis eines kleinen schwarzen Lochs ist, das die Akkretionsscheibe seines größeren supermassereichen schwarzen Lochs durchstößt.
Was hat das supermassive Schwarze Loch zum Schluckauf gebracht? Zu viel Spaghetti
Dies erklärt jedoch immer noch nicht, warum das supermassive Schwarze Loch plötzlich ausgebrochen ist – nur, warum sich dieser Ausbruch regelmäßig abschwächt. Das Team vermutet, dass das Schwarze Loch zum Leben erwachte, weil ein Stern kürzlich zu nahe an seine äußere Grenze oder seinen „Ereignishorizont“ herankam. Der massive Gravitationseinfluss des supermassiven Schwarzen Lochs würde bei sich nähernden Sternen immense Gezeitenkräfte erzeugen, die sie vertikal dehnen und horizontal quetschen würden, was als „Spaghettifizierung“ bezeichnet wird. Dies würde dazu führen, dass der Stern in einem Gezeitenzerfall zerfetzt wird, was einen starken Lichtblitz und einen plötzlichen Materieeinstrom verursacht, der die Akkretionsscheibe aufhellt.
Eine Illustration zeigt die Folgen eines Schwarzen Lochs, das einen Stern bei einer Gezeitenzerstörung zerfetzt und verschlingt (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR))
Im Fall der neu beobachteten Galaxie ernährte das hinzugefügte Material das supermassive Schwarze Loch offenbar vier Monate lang, d. h. für die Dauer des Ausbruchs, und bedeutete auch, dass das kleinere sekundäre Schwarze Loch, als es durch dieses Material stürzte, eine größere Gaswolke als üblich in die Luft schickte.
„Wir sehen Beweise für Objekte, die in verschiedenen Winkeln in die Scheibe eindringen und sie durchqueren, was das traditionelle Bild einer einfachen gasförmigen Scheibe um Schwarze Löcher in Frage stellt“, sagte Pasham. „Wir glauben, dass es da draußen eine riesige Population dieser Systeme gibt.“
Richard Saxton ist ein Röntgenastronom vom Europäischen Weltraumastronomiezentrum in Madrid, der nicht an der Forschung beteiligt war. Er sagte, dass die neuen Erkenntnisse und die Technik, mit der sie gewonnen wurden, den Astronomen helfen könnten, supermassereiche schwarze Löcher und die exotischen Umgebungen, in denen sie leben, besser zu verstehen.
„Dieses Ergebnis zeigt, dass sehr nahe supermassive schwarze Löcher in galaktischen Kernen häufig vorkommen könnten, was eine sehr aufregende Entwicklung für zukünftige Gravitationswellendetektoren darstellt“, sagte Saxton in einer Erklärung. „Dies ist ein brillantes Beispiel dafür, wie man die Trümmer eines zerbrochenen Sterns nutzen kann, um das Innere eines Galaxienkerns zu beleuchten, das ansonsten dunkel bleiben würde. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (27. März) in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
