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Astronomie|Physik

Astronomen entdecken wanderndes Schwarzes Loch

Microlensing
Die Schwerkraft des unsichtbaren Schwarzen Lochs vergrößert und erhellt den Hintergrundstern (Pfeil). © NASA/ ESA, Kailash Sahu (STScI); Joseph DePasquale (STScI)

Schwarze Löcher sind unsichtbar, weil sie alle Strahlung schlucken. Entsprechend schwer ist es, inaktive, isoliert im All schwebende Vertreter dieser Schwerkraftriesen aufzuspüren. Genau dies könnte nun jedoch zwei Forschungsteams gelungen sein. Sie haben ein rund 5100 Lichtjahre entferntes stellares Schwarzes Loch entdeckt, das alleine umherwandert. Verraten hat sich das unsichtbare Objekt durch den Gravitationslinseneffekt: Die Schwerkraft des im Vordergrund vorbeiziehenden Schwarzen Lochs verstärkte und verzerrte das Licht eines Hintergrundsterns. Über Dauer und Stärke dieses Effekts konnten die Astronomen auch die ungefähre Masse des Schwarzen Lochs abschätzen. Es könnte demnach gut sieben Sonnenmassen schwer sein.

Wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert, kollabiert sein Kern ab einer bestimmten Masse zu einem Schwarzen Loch. Angesichts der großen Zahl von massereichen Sternen, die im Laufe der Zeit entstanden und wieder vergangen sind, müsste es demnach Millionen solcher stellaren Schwarzen Löcher allein in unserer Milchstraße geben. Einige von ihnen könnten sogar mit relativ hohem Tempo durch unsere Galaxie rasen, weil sie bei der Supernova einen asymmetrischen „Schubs“ bekommen haben. Doch weil Schwarze Löcher jede Strahlung schlucken, bleiben sie dunkel und unsichtbar, sofern sie nicht mit anderen Himmelskörpern interagieren, beispielsweise indem sie einem Partnerstern Materie absaugen oder bei Kollisionen Gravitationswellen freisetzen. Astronomen war es daher bisher nicht gelungen, ein isoliertes, inaktives stellares Schwarzes Loch eindeutig nachzuweisen.

Gravitationslinsen-Effekt verrät unsichtbares Objekt

Jetzt könnte dies zwei Astronomenteams jedoch erstmals gelungen sein. Unabhängig voneinander hatten sie dieselben Daten des Hubble-Weltraumteleskops ausgewertet. Im Fokus standen dabei sogenannte Microlensing-Ereignisse – die Verzerrung und Verstärkung des Lichts eines fernen Sterns durch die Schwerkraft eines Vordergrundobjekts. Ein solcher Gravitationslinsen-Effekt kann im Prinzip durch ein beliebiges massereiches Objekt verursacht werden – vom Exoplaneten bis zur ganzen Galaxie. Ein stellares Schwarzes Loch verrät sich jedoch dadurch, dass es einen lokal begrenzten, aber mehr als 200 Tage lang anhaltenden Linseneffekt auslöst. Weil das Loch selbst kein Licht abgibt, wird dabei die Lichtfarbe des Hintergrundsterns nicht verändert – bei einem massereichen Stern als Linse würde sich das Licht beider hingegen mischen.

Für ihre Studie haben die beiden Teams – eines um Casey Lam von der University of California in Berkeley und eines um Kailash Sahu vom Space Telescope Science Institute in Baltimore – mehrere vom Hubble-Weltraumteleskop detektierte Microlensing-Ereignisse ausgewertet und dabei Dauer, Lichtspektrum und die scheinbare Verschiebung des Hintergrundsterns analysiert. Ein Ereignis fiel dabei beiden Teams auf, weil es alle Merkmale eines dunklen, frei im All flotierenden stellaren Schwarzen Lochs aufwies: Das Licht des rund 19.000 Lichtjahre entfernten Hintergrundsterns wurde mehr als 270 Tage lang verstärkt und verzerrt. Das dafür verantwortliche Vordergrundobjekt – die Gravitationslinse – ist nach Schätzungen von Lam und ihrem Team 2280 bis 6260 Lichtjahre entfernt, Sahu und seine Kollegen ermittelten einen etwas genaueren Wert von 5153 Lichtjahren.

Um herauszufinden, ob das Vordergrundobjekt genug Masse für ein Schwarzes Loch aufwies, mussten die Astronomen aufwendige astrometrische Messungen durchführen, die ihnen verrieten, wie stark das Vordergrundobjekt die scheinbare Position des Hintergrundsterns verschob. Dank der scharfen „Augen“ des Hubble-Teleskops und mehreren Jahren der wiederholten Beobachtungen ermittelten sie für das Objekt mit dem sperrigen Doppelnamen MOA-2011-BLG-191 und OGLE-2011-BLG-0462 eine Verschiebung von rund einer Millibogensekunde. Daraus schließen Sahu und sein Team, dass das Objekt rund 7,1 Sonnenmassen schwer sein muss – und damit ein Schwarzes Loch.

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(Video: NASA/ Goddard)

Erster Nachweis eines „dunklen“ kompakten Objekts

„Wir berichten damit über die erste eindeutige Entdeckung und Massenbestimmung eines isolierten stellaren Schwarzen Lochs“, schreiben die Astronomen. Dafür spreche die große Masse und die Tatsache, dass das Objekt kein eigenes Licht aussende. Etwas vorsichtiger sind Lam und ihr Team: Sie kommen in ihren Messungen auf eine Masse von 1,1 bis 4,4 Sonnenmassen und können daher nicht sicher ausschließen, dass es sich nicht doch um einen Neutronenstern handelt. „Dies ist das erste frei flotierende Schwarze Loch oder Neutronenstern, der mithilfe der Gravitationslinsen-Methode aufgespürt wurde“, sagt Lams Kollegin Jessica Lu. Ebenfalls nicht ganz einig sind sich die beiden Teams in Bezug auf die Geschwindigkeit, mit der sich das „dunkle“ Objekt bewegt. Sahu und seine Kollegen ermittelten ein relativ hohes Tempo von rund 45 Kilometern pro Sekunde, Lam und ihr Team kamen dagegen auf eher gemächliche 30 Kilometer pro Sekunde. Woher diese Abweichungen kommen, muss nun weiter untersucht werden.

Einigkeit herrscht aber darüber, dass es sich um eine wichtige Entdeckung handelt – und möglicherweise nur um die Spitze eines „dunklen“ Eisbergs. „Was immer es ist, mit diesem Objekt haben wir das erste dunkle Sternenrelikt entdeckt, das unbegleitet durch die Galaxie wandert“, sagt Lam. Der Fund bestätigt damit die Modelle, nach denen es Millionen isoliert umher wandernder Schwarzer Löcher in der Milchstraße geben muss. Nach Berechnungen vom Lam und ihrem Team könnte es in der Milchstraße rund 200 Millionen stellarer Schwarzer Löcher geben – ein Großteil davon wären isolierte, unsichtbare Wanderer. Der uns nächstgelegenen Vertreter dieser dunklen Einzelgänger könnte sich in nur rund 80 Lichtjahren Entfernung verbergen. „Mit dem Microlensing haben wir ein neues Fenster zu diesen dunklen Objekten geöffnet, die auf andere Weise nicht aufzuspüren sind“, sagt Lu.

Quelle: Kailash Sahu (Space Telescope Science Institute, Baltimore) et al., The Astrophysical Journal, accepted, arXiv:2201.13296; Casey Lam (University of California, Berkeley) et al., The Astrophysical Journal Letters, accepted, arXiv:2202.01903)

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