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Ein Bild des Herzens der Milchstraße, das einen Röntgenausbruch zeigt (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Astronomen haben Fackeln und Echos entdeckt, die von dem supermassereichen Schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), ausgehen. Diese „kosmischen Feuerwerke“ und Röntgenechos könnten den Wissenschaftlern helfen, den dunklen und ruhigen kosmischen Titanen, um den unsere Galaxie kreist, besser zu verstehen…

Das Forscherteam der Michigan State University machte die bahnbrechende Entdeckung, als es jahrzehntelange Daten des Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA durchforstete. Neun große Flares, die das Team von Sgr A* entdeckte, wurden von NuSTAR aufgefangen, das seit Juli 2012 den Kosmos im Röntgenbereich beobachtet. Diese Signale waren zuvor von den Astronomen übersehen worden.

„Wir sitzen in der ersten Reihe, um dieses einzigartige kosmische Feuerwerk im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie zu beobachten“, sagte Teamleiter Sho Zhang, ein Assistenzprofessor am Department of Physics and Astronomy der Michigan State University, in einer Erklärung. „Sowohl die Fackeln als auch das Feuerwerk erhellen die Dunkelheit und helfen uns, Dinge zu beobachten, die wir normalerweise nicht sehen könnten.

„Deshalb müssen die Astronomen wissen, wann und wo diese Flares auftreten, damit sie die Umgebung des Schwarzen Lochs mit Hilfe dieses Lichts untersuchen können.“

Licht von Sagittarius A* wie am vierten Juli

Supermassive Schwarze Löcher wie Sgr A* befinden sich vermutlich im Herzen aller großen Galaxien. Wie alle Schwarzen Löcher sind auch supermassive Schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder manchmal Milliarden von Sonnen entspricht, von einer äußeren Begrenzung, dem Ereignishorizont, umgeben. Dieser markiert den Punkt, an dem der Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs so stark wird, dass nicht einmal das Licht schnell genug ist, um seine Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen…

Das bedeutet, dass der Ereignishorizont wie eine Einweg-Lichtfangfläche wirkt, hinter der es unmöglich ist, zu sehen. Schwarze Löcher sind also praktisch unsichtbar und nur durch die Auswirkungen, die sie auf die sie umgebende Materie haben, nachweisbar, was im Fall von supermassiven Schwarzen Löchern katastrophale Folgen haben kann.

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Einige dieser kosmischen Titanen sind von riesigen Mengen allgemeiner Materie umgeben, von der sie sich ernähren; andere fressen Sterne, die sich zu nahe an den Ereignishorizont wagen. Diese Sterne werden durch den immensen Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs zerfetzt, bevor sie zum Abendessen werden.

In beiden Fällen jedoch bildet die eventuelle Materie um das Schwarze Loch eine abgeflachte Wolke oder „Akkretionsscheibe“, in deren Zentrum das Schwarze Loch sitzt. Diese Scheibe leuchtet aufgrund der Turbulenzen und der Reibung, die durch die starken Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs entstehen, intensiv im gesamten elektromagnetischen Spektrum.

Die Anatomie eines fütternden supermassiven schwarzen Lochs mit seiner glühenden Akkretionsscheibe und seinen starken Jets (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Nicht die gesamte Materie in einer Akkretionsscheibe wird jedoch dem zentralen supermassiven Schwarzen Loch zugeführt. Einige geladene Teilchen werden zu den Polen des Schwarzen Lochs geschleust, wo sie als fast lichtschnelle Jets herausgeschleudert werden, die auch von heller elektromagnetischer Strahlung begleitet werden.

Als Ergebnis sitzen diese gefräßigen supermassiven schwarzen Löcher in Regionen, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden, und treiben Quasare an, die so hell sind, dass sie das kombinierte Licht aller Sterne in den umliegenden Galaxien überstrahlen können.?

Außerdem sitzen nicht alle supermassereichen Schwarzen Löcher in AGNs und fungieren als zentrale Motoren von Quasaren. Einige sind nicht von einer Fülle von Gas, Staub oder unglücklichen Sternen umgeben, die ihnen zu nahe kommen. Das bedeutet auch, dass sie keine starken Lichtexplosionen aussenden oder glühende Akkretionsscheiben haben, was ihre Entdeckung wesentlich schwieriger macht.

Sgr A*, mit einer Masse, die etwa 4,5 Millionen Sonnen entspricht, ist zufällig eines dieser ruhigen, nicht rasenden Schwarzen Löcher. Der kosmische Titan im Herzen der Milchstraße verbraucht so wenig Materie, dass ein Mensch etwa alle eine Million Jahre nur ein Reiskorn essen würde.

Wenn Sgr A* jedoch einen kleinen Snack bekommt, wird dies von einem schwachen Röntgenflare begleitet. Genau danach hat das Team in den 10 Jahren, die NuSTAR von 2015 bis 2024 Daten sammelt, geforscht.

Das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße Sgr A* zum ersten Mal in polarisiertem Licht gesehen. (Bildnachweis: EHT Collaboration)Grace Sanger-Johnson von der Michigan State University konzentrierte sich bei ihrer Analyse auf dramatische Ausbrüche von hochenergetischem Licht, die eine einzigartige Gelegenheit bieten, die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs zu untersuchen. Als Ergebnis fand sie neun Beispiele für diese extremen Flares.

„Wir hoffen, dass wir und andere Astronomen durch den Aufbau dieser Datenbank von Sgr A*-Flares die Eigenschaften dieser Röntgenflares analysieren und daraus Rückschlüsse auf die physikalischen Bedingungen in der extremen Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs ziehen können“, so Sanger-Johnson.

Ihr Kollege Jack Uteg, ebenfalls von der Michigan State University, suchte derweil nach etwas Schwächerem und Subtilerem um Sgr A*.

Schwarzes-Loch-Echos um Sgr A*

Uteg untersuchte die begrenzte Aktivität von Sgr A* mit einer Technik, die dem Abhören von Echos ähnelt. Nach Auswertung von Daten aus fast 20 Jahren nahm er eine riesige Molekülwolke in der Nähe von Sgr A* ins Visier, die als „die Brücke“ bekannt ist.

Da Gas- und Staubwolken wie diese, die zwischen den Sternen driften, keine Röntgenstrahlen erzeugen wie die Sterne selbst, wussten die Astronomen, als sie diese hochenergetischen Lichtemissionen von der Brücke entdeckten, dass sie von einer anderen Quelle stammen mussten, die dann von dieser Molekülwolke reflektiert wurde.

„Die Helligkeit, die wir sehen, ist höchstwahrscheinlich die verzögerte Reflexion vergangener Röntgenausbrüche von Sgr A*“, erklärt Uteg. „Wir haben zum ersten Mal eine Zunahme der Helligkeit um 2008 herum beobachtet. In den darauffolgenden 12 Jahren nahmen die Röntgensignale der Brücke weiter zu, bis sie im Jahr 2020 ihre maximale Helligkeit erreichte.“

Das von der Brücke zurückgeworfene Licht brauchte Hunderte von Jahren, um von Sgr A* zu ihr zu gelangen, und dann weitere 26.000 Jahre, um zur Erde zu gelangen. Das bedeutet, dass Uteg durch die Analyse dieses Röntgenechos damit beginnen konnte, die jüngste kosmische Geschichte unseres supermassiven schwarzen Lochs zu rekonstruieren.

„Einer der Hauptgründe, warum wir uns dafür interessieren, dass diese Wolke heller wird, ist, dass wir dadurch eingrenzen können, wie hell der Ausbruch von Sgr A* in der Vergangenheit war“, sagt Uteg.

Dabei stellte sich heraus, dass Sgr A* vor etwa 200 Jahren etwa 100.000 Mal heller im Röntgenlicht war als heute.

„Dies ist das erste Mal, dass wir eine 24-jährige Variabilität für eine Molekülwolke konstruiert haben, die unser supermassereiches Schwarzes Loch umgibt, das seine höchste Röntgenleuchtkraft erreicht hat“, sagte Zhang. „Es erlaubt uns, die vergangene Aktivität von Sgr A* von vor etwa 200 Jahren zu bestimmen.

„Unser Forschungsteam an der Michigan State University wird dieses ‚astroarchäologische Spiel‘ fortsetzen, um die Geheimnisse des Milchstraßenzentrums weiter zu enträtseln.“

Eines der Rätsel, die das Team zu lösen versuchen wird, ist die Frage nach dem genauen Mechanismus, der die Röntgeneruptionen von Sgr A* auslöst, angesichts seiner spärlichen Nahrung. Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese Ergebnisse zu weiteren Untersuchungen durch andere Teams führen werden, und spekulieren, dass die Ergebnisse das Potenzial haben, unser Verständnis der supermassiven schwarzen Löcher und ihrer Umgebung zu revolutionieren.

Das Team stellte seine Ergebnisse am Dienstag (11. Juni) auf der 244. Tagung der American Astronomical Society vor.