Das Schwarze Loch der Milchstraße - wissenschaft.de
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Das Schwarze Loch der Milchstraße

Ein schlafendes Energie-Monster beherrscht unsere Galaxis. Gewaltige Energiemaschinen im All leuchten heller als Millionen Sonnen. Auch wenn unsere Milchstraße zur Zeit sehr milde strahlt, ist das nur eine Ruhepause in ihrer stürmischen Geschichte.

Der gestirnte nächtliche Himmel läßt die ungeheuren Tiefen des Alls ahnen, doch er verführt leicht zu einem falschen Bild vom Aufbau der Welt: locker verteilte Sterne im unermeßlichen Raum.

Ein Superauge wie das Hubble-Weltraumteleskop sieht das anders: Sein scharfer Blick reicht bis in millionenmal größere Tiefen. Wo das bloße Auge oder auch der Feldstecher zwischen den Sternen nur leeren schwarzen Nachthimmel sieht, erspäht Hubble ungezählte Lichtflecke – jeder ist eine Galaxie, eine diskusähnliche Ansammlung von 100 Milliarden Sternen. Die Galaxien sind die Bausteine des Weltalls.

In den letzten Jahren ist das Zentrum der Galaxis zu einem immer interessanteren Forschungsobjekt für die Astronomen geworden, zumal sie in vielen fernen Sternsystemen eine ungewöhnlich aktive Region in der Mitte entdeckt haben: Aus einem eng begrenzten Raum wird bis zu 10000mal mehr Energie freigesetzt als die gesamte Leuchtkraft der restlichen Galaxie.

Wo das Zentrum unserer Galaxis liegt, darüber hatte sich der Philosoph Immanuel Kant in Königsberg bereits 1755 Gedanken gemacht. In seiner Schrift „Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels“ schrieb er: „Vielleicht aber ist es künftigen Zeiten aufgehoben, wenigstens noch dereinst die Gegend zu entdecken, wo der Mittelpunkt des Fixsternsystems, darein unsere Sonne gehöret, befindlich ist …“ Als Fußnote zum Wort „Mittelpunkt“ formulierte er vorsichtig: „Ich habe eine Mutmaßung, nach welcher es mir sehr wahrscheinlich zu sein dünket, daß der Sirius oder Hundsstern in dem System der Sterne, die die Milchstraße ausmachen, der Zentralkörper sei und den Mittelpunkt einnehme …“ Sirius ist zwar der hellste Fixstern des Himmels, doch – wie wir heute wissen – beileibe nicht der massereichste. Für das Zentrum eines so gigantischen Systems erwarten die Astronomen eine millionenmal größere Masse als die eines einzelnen Sterns.

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Beobachtungen anderer Galaxien erlauben es, die Aktivität in Galaxienkernen zu studieren. Das nahe Zentrum unserer Milchstraße dagegen ermöglicht Einblicke in die Prozesse, die hier ablaufen.

Allerdings wird der Blick dahin durch dichte Staubwolken versperrt. Unsere Milchstraße hat einen Durchmesser von 100000 Lichtjahren und eine Gesamtmasse von einigen hundert Milliarden Sonnen. Etwa fünf bis zehn Prozent dieser Masse existieren in Form „Interstellarer Materie“ – Gas und Staub zwischen den Sternen -, die zu rund 70 Prozent aus dem leichtesten und einfachsten aller Elemente, dem Wasserstoff, zu etwa 28 Prozent aus dem zweitleichtesten Element Helium und zu nur zwei Prozent aus den schwereren Elementen bis hin zum schwersten stabilen Element Uran besteht.

Etwa ein Drittel bis zur Hälfte dieser schweren Elemente sind in der interstellaren Materie in Form kleinster Staubteilchen – mit einem Durchmesser von nicht einmal ein tausendstel Millimeter – auskondensiert, die das sichtbare Licht sehr effektiv absorbieren. Bei manchen fernen Galaxien, die sich uns „im Profil“ präsentieren, erscheinen deshalb die von der Schwerkraft des Sternsystems auf eine dünne Schicht zusammengezogenen Staub- und Gasmassen der interstellaren Materie als dunkler Streifen. Im zentralen Bereich von einigen 1000 Lichtjahren Durchmesser sieht man eine linsenförmige Aufbauchung, den sogenannten zentralen „Bulge“.

Die Absorption von Sternenlicht durch Staub führt zu einem astrophysikalisch außerordentlich wichtigen Prozeß: Die Staubteilchen werden aufgeheizt – typische Temperaturen des interstellaren Staubs liegen zwischen 10 und einigen 100 Kelvin – und strahlen die absorbierte Energie als Infrarotstrahlung, also als Wärme, wieder ab.

Radio- und Infrarot-Teleskope können durch den interstellaren Staub „hindurchsehen“. So haben vorwiegend radioastronomische Beobachtungen die Spiralstruktur bei Entfernungen von 10000 bis 40000 Lichtjahren vom Zentrum sowie eine Balkenstruktur im zentralen „Bulge“ entschlüsselt. Die Dichte der Sterne – und damit ihre Strahlungsintensität – sowie die Dichte der interstellaren Materie nehmen dort in den inneren 2000 Lichtjahren drastisch zu. Wie stark unser Heimatsystem nach innen hin konzentriert ist, zeigen die Zahlen: In weniger als einem Promille des Gesamtvolumens der galaktischen Scheibe finden sich 10 Prozent der Masse von Sternen und interstellarer Materie der gesamten Milchstraße. Und dort entstehen auch etwa 10 Prozent aller massereichen Sterne, die ihrerseits mit einem ähnlichen Anteil zur Gesamtleuchtkraft unseres Sternsystems beitragen.

Schon die Beobachtung normaler Galaxien zeigt, daß in deren Zentralbereich extreme physikalische Zustände herrschen. 1943 entdeckte der aus der Schweiz stammende amerikanische Astronom Carl Seyfert in den Zentren einiger Spiralgalaxien die Existenz einer weit über die – an sich schon hohe – Leuchtkraft normaler Galaxienkerne hinausgehende zentrale Leuchtkraft. Heute wissen wir, daß rund zehn Prozent aller Galaxien diese Eigentümlichkeit haben. 20 Jahre später machte der niederländische, in Kalifornien forschende Astronom Maarten Schmidt eine sensationelle Entdeckung: Die zuvor rätselhaften Linien in den Spektren sogenannter Quasistellarer Radioquellen identifizierte er mit bekannten Linien, allerdings extrem ins Rote verschoben. Da das Weltall sich mit zunehmender Entfernung mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt, ließ sich aus der Rotverschiebung auf eine riesige Entfernung und damit auch auf eine ungeheuer große absolute Leuchtkraft dieser Objekte schließen: Einige sind bis zu 10000mal leuchtkräftiger als unsere gesamte Milchstraße.

Allmählich setzte sich die Erkenntnis durch, daß Seyfert-Galaxien, wie sie zu Ehren ihres Entdeckers genannt werden, und Quasare – die Kurzform für Quasistellare Objekte – zwei Extremfälle derselben Sorte von himmlischen Objekten sind, die von nun an Aktive Galaxienkerne hießen. Die gewaltige Energie in ihrem Zentrum wird meist in einem Gebiet von weniger als einem Lichtjahr Durchmesser – verschwindend wenig im Vergleich zur ganzen Galaxie – erzeugt und freigesetzt.

Von den vielen diskutierten Modellen für diese Energie-Maschine setzten sich schließlich zwei durch:

Ein massereiches Schwarzes Loch – 106 bis 1010 Sonnenmassen schwer – sitzt im Zentrum. Es ist von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben. Ständig wird Materie angesaugt und stürzt auf die Scheibe. Bis zu 30 Prozent der aufgesammelten Materie wird dabei in Energie umgewandelt. Die kurzzeitige, kollektive Entstehung einer großen Anzahl massereicher Sterne, jeder 50- bis 100mal schwerer als die Sonne, liefert die Energie. In ihrem Zentrum wird durch Kernfusion von Wasserstoff zu Helium 0,7 Prozent der an diesem Prozeß beteiligten Materie in Energie umgewandelt.

Beide Prozesse erfordern allerdings einen über längere Zeit kontinuierlichen Nachschub an Materie, einen Massetransport zum Zentrum hin. Wie läßt sich entscheiden, welcher der beiden Prozesse entscheidend ist? Bei Galaxien, die man – wie bei unserer Milchstraße – von der Seite sieht, blockiert der Schleier aus Gas und Staub die Beobachtung im optischen und UV-Licht.

Er ist nur im nahen Infrarot und für Röntgenstrahlung durchsichtig. Hier hilft das vom Radio- bis zum Röntgenbereich beobachtete Spektrum weiter. Unsere Kenntnisse der Morphologie und des physikalischen Zustands des galaktischen Zentrums beruhen deshalb fast ausschließlich auf Beobachtungen der Infrarot- und Radiowellen-Strahlung.

Auch wenn die optische und UV-Strahlung von Staub und Gas absorbiert werden, lassen sie sich indirekt, auf einem Umweg beobachten: Die Staubteilchen werden durch Absorption energiereicher Photonen aufgeheizt und strahlen die aufgenommene Energie im mittleren und fernen Infrarot wieder ab. Ultraviolett-Strahlung ionisiert das umgebende Gas nahezu vollständig, das dann Radiostrahlung emittiert. Im Nahinfrarot wird der zentrale „Bulge“ sichtbar, das Galaktische Zentrum fällt mit dem Maximum der Flächenhelligkeit zusammen. Gäbe es keinen Staub, der das Licht verschluckt, würde man eine symmetrische Sternverteilung erwarten. Doch riesige Molekülwolken zwischen Zentrum und Sonne verursachen die dunklen Flecken in der Sternverteilung.

Wie in der galaktischen Scheibe rotieren auch im zentralen „Bulge“ Sterne und interstellare Materie um den Schwerpunkt des Milchstraßensystems. Doch eine Analyse der Bewegungen des interstellaren Gases zeigt einen zusätzlichen Strom quer dazu: Materie von etwa 0,01 Sonnenmassen pro Jahr fließt in Richtung Zentrum.

In den zentralen 100 Lichtjahren unserer Milchstraße haben einige Strahlungszentren von den Radioastronomen eigene Namen bekommen, etwa Sgr A Ost und Sgr A West, wobei Sgr eine Abkürzung für Sagittarius ist, der lateinische Name für das Sternbild Schütze, in dessen Sternengewimmel das Zentrum der Galaxis liegt. Die Radioquelle Sgr A Ost erscheint wie aus verschiedenen Hüllen aufgebaut. Das könnte die Folge einer gewaltigen Explosion sein, die sich in einer Riesen-Molekülwolke ereignete und die das umgebende Gas wie ein Schneepflug zusammenschob. Ein Teil dieses Gases wurde von der Schwerkraft des zentralen Sternhaufens eingefangen und rotiert nun als Scheibe um das dynamische Zentrum des Systems.

Diese Scheibe hat einen wohlstrukturierten Innenrand mit einem mittleren Radius von etwa fünf Lichtjahren. Sie umschließt die Region Sgr A West, die im Radiobereich sichtbar ist und eine Spiralstruktur aufweist. Im Zentrum dieser als Minispirale bezeichneten Struktur wird eine sehr intensive Punktquelle beobachtet, die von ihren Entdeckern Sgr A* genannt wurde. In ihrem Zentrum sitzt höchstwahrscheinlich ein Schwarzes Loch, wie bereits Ende der sechziger Jahre die englischen Astrophysiker Donald Lynden-Bell und Martin Rees vorgeschlagen haben.

Von außen stürzt Material auf das Schwarze Loch und wird dabei teilweise in Energie umgewandelt. Diese Energieerzeugung hängt von der Einsturzrate ab. Sie endet zwangsläufig, falls das Schwarze Loch nicht mehr mit Materie gefüttert wird.

In den letzten 20 Jahren wurde Sgr A* intensiv erforscht, so daß die Astronomen heute gut über Masse, Durchmesser, Spektrum und Dynamik dieses Nabels unserer galaktischen Welt Bescheid wissen. Neue Beobachtungen in einer Entfernung von weniger als einem Zehntel Lichtjahr von Sgr A* bestätigen die Vermutung, daß es sich hier um ein außerordentlich kompaktes, massereiches Objekt von zwei bis drei Millionen Sonnenmassen handelt.

Mit der Radio-Interferometrie läßt sich der Durchmesser von Sgr A* bestimmen. Einer englischen Forschergruppe fiel 1976 auf – nur zwei Jahre nach der Entdeckung von Sgr A* -, daß der scheinbare Durchmesser dieser Quelle mit dem Quadrat der Wellenlänge abnimmt. Weitere Beobachtungen während der letzten 20 Jahre bis zu einer Wellenlänge von einem Zentimeter haben das bestätigt – ein deutlicher Hinweis darauf, daß man nicht den wahren Durchmesser, sondern ein Zerrbild der Quelle Sgr A* beobachtet, verursacht durch Streuung der Radiowellen an freien Elektronen.

Wenn das stimmt, müßte bei einer entsprechend kurzen Wellenlänge der wahre Durchmesser von Sgr A* beobachtet werden. Deshalb nutzte eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn die Methode der VLBI, der Interferometrie mit großer Basis, bei der weit entfernte Teleskope so miteinander kombiniert werden, als ob sie ein einheitliches Riesenteleskop wären. Das Auflösungsvermögen ist dabei extrem hoch.

Die Forscher hatten Erfolg. Sie fanden Hinweise, daß bei sehr kurzen Wellen – zuerst andeutungsweise bei drei, dann unübersehbar bei einem Millimeter Wellenlänge – der scheinbare Durchmesser der Quelle konstant ist, das heißt, daß dort Streueffekte keine Rolle spielen. Der tatsächliche Winkeldurchmesser ergab sich so zu 100 Mikro- Bogensekunden.

Das entspricht einem linearen Durchmesser von 108 Kilometern – also etwa dem Durchmesser der Merkurbahn um die Sonne – und damit ziemlich genau dem Durchmesser, der zuvor mit Hilfe eines Modells der Radioquelle vorausgesagt worden war.

Auch wenn die Aktivität des Zentrums unserer Milchstraße nur schwach ist, wurde es zu einem Labor für das Phänomen „Aktive Galaxienkerne“. Die Astronomen sind überzeugt, daß nicht nur einige wenige exotische Sternsysteme einen solchen aktiven Kern haben, sondern mehr als 10 Prozent aller Galaxien. Vieles spricht für die Hypothese von Lynden-Bell und Rees, daß in fast allen Galaxienzentren ein massereiches Schwarzes Loch mit mindestens 105 Sonnenmassen existiert.

Daß die Aktivität des Kerns unserer Milchstraße nur schwach ist, liegt daran, daß der Beitrag des Schwarzen Lochs an der Gesamtleuchtkraft der zentralen drei Lichtjahre vernachlässigbar klein ist. Sie wird vielmehr durch die Strahlung von etwa 25 massereichen Sternen verursacht, die von einem Starburst, einer Massengeburt von Sternen, vor rund 10 Millionen Jahren übriggeblieben sind.

Das Zentrum unserer Milchstraße scheint sich zur Zeit in einem Aktivitätsminimum zu befinden, verursacht durch mangelnden Materie-Nachschub für das zentrale Schwarze Loch. Doch der Materiestrom von 0,01 Sonnenmassen pro Jahr in Richtung auf das dynamische Zentrum ist bemerkenswert. In 10 bis 100 Millionen Jahren könnte diese Masse Sgr A* erreicht haben.

Dort könnte sie in das Schwarze Loch gestrudelt werden und dabei viel Energie freisetzen – um Größenordnungen mehr als heute. Unser Sternsystem würde dann für einen Beobachter außerhalb der Milchstraße als aktive Galaxie erscheinen. Er würde feststellen, daß sich ein Großteil der aktivität auf das unmittelbare Zentrum der Galaxis konzentriert, sie also den Seyfert-Galaxien zuordnen.

Aber schon lange vorher wird der Beobachter andere Veränderungen an unserer Milchstraße feststellen können. Denn die zur Fütterung des Schwarzen Lochs benötigten Gasmengen werden nicht kontinuierlich zu Sgr A* strömen, vielmehr wird sich ein Teil des Materials unterwegs schon in Sterne verwandeln. Von außen könnte man in dieser Phase beobachten, daß es in den Zentralregionen der Milchstraße zu einem Starburst kommt, der allerdings nur einen kleineren Teil des Materials aufbraucht. Es wird immer noch hinreichend viel Gas und Staub zur Verfügung stehen, um das zentrale Schwarze Loch effektiv zu füttern und damit eine Seyfert-Phase unserer Milchstraße zu initiieren.

Unklar ist, ob alles zur Verfügung stehende Gas aufgebraucht wird. Denn vielleicht erzeugt das zuerst ankommende Material schon soviel Leuchtkraft – und damit Strahlungsdruck weg vom Schwarzen Loch -, daß sich die Energie-Erzeugung beim Aufsaugen von Material selbst vorübergehend abschaltet. Das könnte soweit gehen, daß sich dabei ein zyklisches Pendeln zwischen Phasen höherer und niedriger Aktivität einstellt.

Wir sehen das Zentrum unserer Milchstraße als Momentaufnahme eines Vorgangs, der sich vermutlich etwa alle Milliarden Jahre wiederholt. Aber auch diese Momentaufnahme enthüllt Details, die wir in entfernten Galaxienkernen nie werden beobachten können.

Wenn die Sonne ein Schwarzes Loch wäre Schwarze Löcher sind die kompaktesten Gebilde, die es im Kosmos gibt. Ihre Anziehungskraft ist so groß, daß nicht einmal elektromagnetische Strahlung – zum Beispiel Licht – das Loch verlassen kann.

Ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse wäre etwa drei Kilometer dick. Ein massereiches Schwarzes Loch von drei Millionen Sonnenmassen, wie wir es im Zentrum der Milchstraße finden, ist entsprechend drei millionenmal größer: Es hat einen Durchmesser von etwa neun Millionen Kilometern, also etwa dreizehn Sonnenradien. In der Nähe von Schwarzen Löchern herrschen physikalische Bedingungen, die extrem anders sind als alles, was wir aus unserer Erfahrung kennen. In großer Entfernung vom Schwarzen Loch spürt man aber – wie bei jeder Masse – die Anziehungskraft, die gerade der betreffenden Masse entspricht.

Wäre unsere Sonne ein Schwarzes Loch gleicher Masse, so würde sie zwar ganz anders aussehen als wir sie kennen, bei unserer Entfernung von ihr (im Mittel rund 150 Millionen Kilometer) würden wir aber die gleiche Anziehungskraft erleben: Die Erde würde keineswegs in das Schwarze Loch gesaugt.

Peter G. Mezger / Wolfgang J. Duschl / Robert Zylka

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