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Eine Illustration zeigt einen Weißen Zwerg, der am Rande der Zerstörung steht, und ein supermassives Schwarzes Loch (Bildnachweis: NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnetitalic, )

Mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton haben Astronomen ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet, das bereits für sein mysteriöses Verhalten bekannt ist und ein weiteres seltsames Phänomen zeigt.

Das Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) geht davon aus, dass ein toter stellarer Kern oder weißer Zwerg, der waghalsig am Rande des Schwarzen Lochs schwankt, die Ursache für die immer häufiger auftretenden Explosionen von hochenergetischem Licht ist.

Das Schwarze Loch 1ES 1927+654 befindet sich etwa 270 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und hat eine Masse, die etwa eine Million Mal so groß ist wie die der Sonne. 1ES 1927+654 machte Astronomen erstmals 2018 auf seine Seltsamkeit aufmerksam, als die es umgebende, wirbelnde Plasmawolke, die sogenannte Korona, verschwand und dann wieder auftauchte. Dies war etwas, das Astronomen noch nie zuvor in der Umgebung eines Schwarzen Lochs beobachtet hatten.

Es wurde noch seltsamer, als das MIT-Team Ausbrüche von Röntgenstrahlen entdeckte, die von 1ES 1927+654 mit zunehmender Häufigkeit ausgingen. Im Laufe von zwei Jahren erhöhte sich die Häufigkeit dieser hochenergetischen Blitze von einmal alle 18 Minuten auf einmal alle 7 Minuten. Auch dies ist ein beispielloses Verhalten für ein Schwarzes Loch. Wenn diese seltsamen Episoden das Ergebnis eines umkreisenden Weißen Zwerges sind, einer Art stellarer Überrest, der zurückbleibt, wenn ein Stern mit etwa der Masse der Sonne stirbt, dann vollführt dieser tote Stern einen unglaublichen Balanceakt.

„Dies wäre das nächstgelegene Objekt in der Nähe eines Schwarzen Lochs, das wir kennen“, sagte die Co-Leiterin des Teams und MIT-Forscherin Megan Masterson in einer Erklärung. „Das sagt uns, dass Objekte wie Weiße Zwerge in der Lage sein können, für eine relativ lange Zeit sehr nahe an einem Ereignishorizont zu leben.“

Eine Illustration zeigt einen Weißen Zwerg, der um den Rand eines supermassereichen Schwarzen Lochs peitscht. (Bildnachweis: NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnetitalic)

Wenn die Quelle dieser seltsamen Episoden ein fein ausbalancierter Weißer Zwerg ist, so die Theorie der Forscher, könnte er anhand von Wellen in Raum und Zeit, den so genannten Gravitationswellen, die von dem System ausgesendet werden, nachgewiesen werden.

Aktuelle Gravitationswellendetektoren wie das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) sind nicht empfindlich genug, um eine solche Emission zu entdecken. Zukünftige Gravitationswellen-Observatorien wie der weltraumgestützte Detektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) der NASA könnten jedoch präzise genug sein, um einen solchen Nachweis zu erbringen.

„Diese neuen Detektoren sind so konzipiert, dass sie Oszillationen im Minutenbereich aufspüren können. Dieses Schwarze-Loch-System liegt also genau in diesem Bereich“, sagte Erin Kara, Mitglied des Teams und MIT-Professorin für Physik.

Die seltsame Geschichte von 1ES 1927+654

Beide, Kara und Masterson, haben eine lange Geschichte mit 1ES 1927+654. Beide gehörten zu dem Team, das vor sieben Jahren beobachtete, wie die Korona des supermassiven schwarzen Lochs dunkel wurde. Sie beobachteten auch, wie es sich nach seinem Verschwinden regenerierte.

Für kurze Zeit war die neu entstandene Korona von 1ES 1927+654 die hellste Röntgenquelle am Himmel über der Erde. Der auffällige Charakter von 1ES 1927+654 veranlasste das Team, ihn weiter zu untersuchen.

„Sie war immer noch extrem hell, obwohl sie seit ein paar Jahren nichts Neues mehr tat und irgendwie vor sich hin gluckerte. Aber wir hatten das Gefühl, dass wir ihn weiter beobachten müssen, weil er so schön ist“, erklärt Kara. „Dann bemerkten wir etwas, das wir noch nie zuvor gesehen hatten.

Eine Illustration des XMM-Newton-Weltraumteleskops (Bildnachweis: D. Ducros; ESA/XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO)

Um 1ES 1927+654 genauer zu untersuchen, griffen die Forscher auf Daten zurück, die von der Röntgensonde XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gesammelt wurden, und entdeckten die zunehmende Pulsfrequenz der Röntgenstrahlung dieses Schwarzen Lochs, ein Phänomen, das als „quasi-periodische Oszillationen“ bezeichnet wird und schon früher in der Umgebung Schwarzer Löcher beobachtet wurde. Einzigartig bei 1ES 1927+654 ist die Tatsache, dass dieses Flackern im Laufe von zwei Jahren von 18 Minuten auf 7 Minuten zuzunehmen schien.

„Wir haben noch nie eine so dramatische Variabilität in der Blinkrate gesehen“, erklärte Masterson. „Die Tatsache, dass das Blinken von 1ES 1927+654 im Röntgenlicht beobachtet wurde, gab dem MIT-Team einen sehr wichtigen Hinweis auf die Ursache dieses seltsamen Verhaltens.

Leben am Rande

Röntgenstrahlen werden höchstwahrscheinlich von einem heftigen und turbulenten Meer aus sich schnell bewegendem Plasma in unmittelbarer Nähe von Schwarzen Löchern erzeugt. In größerer Entfernung von Schwarzen Löchern, wo sich kühleres Plasma langsamer bewegt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses hochenergetische Licht emittiert wird, wesentlich geringer.

„Wenn man etwas in der Röntgenstrahlung sieht, weiß man bereits, dass man dem Schwarzen Loch ziemlich nahe ist“, sagte Kara. „Wenn man Schwankungen auf der Zeitskala von Minuten sieht, ist das nahe am Ereignishorizont, und das erste, was einem in den Sinn kommt, ist eine kreisförmige Bewegung und die Frage, ob etwas um das Schwarze Loch kreisen könnte“, so Kara. Der Ereignishorizont ist der Punkt um jedes Schwarze Loch, an dem die Schwerkraft so stark wird, dass nicht einmal das Licht schnell genug ist, um zu entkommen.Die MIT-Forscher haben zwei Haupttheorien, um das seltsame Verhalten von 1ES 1927+654 zu erklären, von denen die erste mit der Korona des Schwarzen Lochs zusammenhängt.

„Eine Idee ist, dass diese Korona oszilliert, vielleicht hin und her wippt, und wenn sie zu schrumpfen beginnt, werden diese Oszillationen schneller, wenn die Skalen kleiner werden“, sagte Masterson. „Aber wir stehen noch ganz am Anfang, wenn es darum geht, koronale Oszillationen zu verstehen.“

Eine Illustration von 1ES 1927+654, einem sehr seltsamen supermassiven schwarzen Loch. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Eine weitaus besser verstandene Erklärung wäre ein kosmischer Draufgänger: ein seiltanzender Weißer Zwerg mit einer Masse von etwa 10 % der Sonnenmasse. In diesem Szenario würde der Weiße Zwerg Gravitationswellen aussenden, während er um 1ES 1927+654 wirbelt. Dadurch würde der tote Stern näher an das Schwarze Loch heranrücken und sich schneller bewegen, wodurch sich die Häufigkeit der Röntgenemissionen erhöhen würde.

Obwohl sich dieser Weiße Zwerg in Bezug auf seine Nähe zum supermassiven Schwarzen Loch praktisch am Punkt ohne Wiederkehr befindet, glaubt das MIT-Team nicht, dass dieser tote Stern in absehbarer Zeit in das Schwarze Loch fallen wird. Denn während das Schwarze Loch den Weißen Zwerg nach innen zieht, stößt der tote Stern Material ab. Da Weiße Zwerge klein und kompakt sind, lassen sie sich nur sehr schwer zertrümmern, so dass sie sehr nahe an einem Schwarzen Loch sein können“, erklärt Kara. „Wenn dieses Szenario stimmt, befindet sich dieser Weiße Zwerg genau am Umkehrpunkt, und wir könnten sehen, wie er sich weiter entfernt.“

Die Forscher beabsichtigen, 1ES 1927+654 weiter zu beobachten, und werden dazu immer leistungsfähigere Teleskope einsetzen. Sie beabsichtigen auch, LISA, das in den 2030er Jahren starten soll, zu nutzen, um Gravitationswellen zu „hören“, die von dem potenziell waghalsigen Weißen Zwerg ausgehen, der um dieses Schwarze Loch herum dem sicheren Tod trotzt. „Das Einzige, was ich bei dieser Quelle gelernt habe, ist, dass man nie aufhören darf, sie zu beobachten, denn sie wird uns wahrscheinlich etwas Neues lehren“, schloss Masterson. „Das Team stellte seine Forschungsergebnisse am Montag (13. Januar) auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland, vor. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.