Eine künstlerische Darstellung der Akkretionsscheibe um das kompakte Objekt im Röntgendoppelsystem Cygnus X-3, die zeigt, wie die Röntgenstrahlung im Inneren des trichterförmigen Hohlraums gestreut wird, bevor sie von IXPE entdeckt wird (Bildnachweis: Alexander Mushtukov)
Ein Doppelsternsystem, das einen massereichen Stern und ein wahrscheinlich schwarzes Loch enthält, die zusammen eine Quelle intensiver Röntgenstrahlung sind, hat sich als ein kleineres Beispiel für einige der leuchtkräftigsten Quasare im Universum erwiesen.
Die neuen Erkenntnisse eines internationalen Teams, das die NASA-Raumsonde Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) eingesetzt hat, beschreiben, wie ein etwa 24.000 Lichtjahre entferntes binäres Röntgensystem in unserer Milchstraßengalaxie seine Röntgenstrahlung in einem trichterförmigen Hohlraum verstärkt, der das wahrscheinliche Schwarze Loch umgibt.
Das System Cygnus X-3 wurde Anfang der 1970er Jahre entdeckt, als Radioteleskope starke Jets entdeckten, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem System herausstrahlen. Die Radiostrahlung dieser Jets hält einige Tage lang an, bevor sie sich abschalten, um später wieder zu leuchten.
Der Ursprung der Jets war seinerzeit ein Rätsel. Das System wurde als „astronomisches Rätsel“ bezeichnet, was durch die Tatsache, dass wir Cygnus X-3 nicht einmal im sichtbaren Licht sehen können, nicht gerade erleichtert wurde; es wird durch dicken Staub in der Ebene unserer Galaxie verdeckt. In den 1970er Jahren stimmten sich Radioastronomen in Observatorien auf der ganzen Welt telefonisch ab, um zu versuchen, Cygnus X-3 beim Ein- und Ausschalten zu erwischen.
Im Laufe der Jahre konnten die Astronomen durch weitere Beobachtungen im Radio-, Infrarot- und Röntgenbereich herausfinden, dass es sich bei Cygnus X-3 um ein Doppelsternsystem handelt, bei dem ein Materietransfer zwischen einem massereichen Stern und einem kompakten Objekt stattfindet, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen. Bei dem kompakten Objekt handelt es sich entweder um einen Neutronenstern oder, was wahrscheinlicher ist, um ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die etwa fünfmal größer ist als die Masse unserer Sonne. Bei dem massereichen Stern handelt es sich um einen Wolf-Rayet-Stern – eine seltene Phase, die Überriesensterne durchlaufen, in der sie starke Sternwinde ausstoßen, die große Teile ihrer äußeren Hülle ins All befördern. Das vom Wind dieses Wolf-Rayet-Sterns mitgerissene Material speist eine Akkretionsscheibe, die sich spiralförmig um das kompakte Objekt windet.
Die Leuchtkraft von Cygnus X-3 ist jedoch kaum zu glauben. Der Materiestrom auf ein kompaktes Objekt wie ein Schwarzes Loch wird durch eine Eigenschaft kontrolliert, die als Eddington-Grenze bekannt ist. Wenn die Akkretionsrate hoch genug ist, gerät die Akkretionsscheibe in einen Stau – die Materie staut sich, die Scheibe wird dicht und so heiß, dass die austretende Strahlung den Zufluss von frischem Material abwürgen kann. Auf diese Weise können Schwarze Löcher ihr eigenes Wachstum regulieren, und ein Teil des Materials wird in den radioaktiven Jets wieder ausgespuckt.
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Doch einige der leuchtkräftigsten Quasare – Galaxien mit extrem aktiven supermassereichen Schwarzen Löchern in ihrem Herzen – scheinen die Eddington-Grenze zu durchbrechen, da ihre Leuchtkraft extrem hoch ist und sie dennoch Materie anzusammeln scheinen. Und Cygnus X-3 scheint in diese Kategorie zu fallen, wenn auch in kleinerem Maßstab.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Alexandra Veledina von der Universität Turku in Finnland mit IXPE den Grad der Polarisation im Röntgenlicht von Cygnus X-3 gemessen. Sie fanden heraus, dass die Polarisation so stark ist, dass sie nur durch die Streuung der Röntgenstrahlen im Inneren eines trichterförmigen Hohlraums im Herzen der Akkretionsscheibe erklärt werden kann.
„Wir haben entdeckt, dass das kompakte Objekt von einer Hülle aus dichter, undurchsichtiger Materie umgeben ist“, so Veledina in einer Erklärung. „Das Licht, das wir beobachten, ist eine Reflexion an den inneren Trichterwänden, die durch das umgebende Gas gebildet werden und einer Tasse mit einem Spiegel im Inneren ähneln.“
Das mysteriöse Doppelsternsystem Cygnus X-3, gesehen im Röntgenlicht des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA (weiß) und in den Radiodaten des Smithsonian Submillimeter Array (rot und blau). (Bildnachweis: Röntgen: NASA/CXC/SAO/M.McCollough et al, Radio: ASIAA/SAO/SMA)
Eine undurchsichtige Hülle, die von einem trichterförmigen Hohlraum angehoben wird, ist typisch für Quasare, die als „ULXs“ – ultrahelle Röntgenquellen – bezeichnet werden. Das Ausmaß der Verstärkung durch die Röntgenstrahlen, die im Inneren des Trichters gestreut werden, ist ebenfalls typisch für ULXs.
„ULXs werden typischerweise als leuchtende Flecken in den Bildern entfernter Galaxien beobachtet, wobei ihre Emissionen durch die Fokussierungseffekte des umgebenden Trichters des kompakten Objekts verstärkt werden und wie ein Megaphon wirken“, sagt Juri Poutanen von der Universität Turku, Mitglied des Studienteams. „Aufgrund der großen Entfernungen zu diesen Quellen … erscheinen sie für Röntgenteleskope jedoch relativ schwach.“
Das Lernen über ULXs in Quasaren hat sich daher als schwierig erwiesen, aber die Astronomen können nun den viel näheren Cygnus X-3 als Modell verwenden, um diese fernen ULXs besser zu verstehen.
„Unsere Entdeckung hat nun ein helles Gegenstück zu diesen fernen ULXs enthüllt, das sich in unserer eigenen Galaxie befindet“, so Poutanen.
Die Ausbrüche von Cygnus X-3 treten aufgrund der elliptischen Umlaufbahn des Wolf-Rayet-Sterns um das kompakte Objekt nur sporadisch auf, was bedeutet, dass er zeitweise näher ist und mehr Material im Wind auf das wahrscheinliche schwarze Loch fällt. IXPE konnte feststellen, dass in der ULX-Phase von Cygnus X-3 – wenn die Menge des einfallenden Materials am größten ist – der Polarisationsgrad 24,9 % erreicht, aber wenn das System weniger aktiv ist, fällt die Polarisation auf 10,4 %. Dies deutet darauf hin, dass sich die Struktur des Trichters als Reaktion auf eine größere oder geringere Akkretionsmenge ändert. Wenn die Akkretionsrate zu niedrig ist, kann der Trichter vollständig kollabieren und sich erst wieder aufbauen, wenn die Akkretion wieder zunimmt, so die Vorhersage von Veledinas Team.
Das Team plant nun weitere Beobachtungen, um diesen Kollaps zu beobachten, der dadurch angezeigt wird, dass die Polarisation fast auf Null sinkt, was darauf hindeutet, dass die Röntgenemission direkt von dem heißen Gas an der Oberfläche der Akkretionsscheibe kommt und nicht indirekt über Streuung im Trichter.
Die Ergebnisse wurden am 21. Juni in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
