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Astronomie+Physik

Gammastrahlen verraten intermediäres Schwarzes Loch

Schwarzes Loch
Durch seine Wirkung als Gravitationslinse hat sich das Schwarze Loch verraten. (Bild: Carl Knox/ OzGrav)

Intermediäre Schwarze Löcher gelten bislang als ein „Missing Link“, denn von solchen mittelgroßen Schwarzen Löchern sind bisher nur einige wenige Kandidaten entdeckt worden. Jetzt hat ein Astronomenteam ein weiteres Exemplar dieser Zwischenstufe zwischen stellaren und supermassereichen Schwarzen Löchern aufgespürt. Dies gelang, weil dieses Objekt als Gravitationslinse fungierte und seine Masse die Strahlung eines fernen Gammastrahlenausbruchs auf charakteristische Weise verzerrt hat. Demnach hat dieses Objekt eine Masse von 55.000 Sonnenmassen und kann daher weder bei einer einfachen Sternexplosion entstanden sein, noch kann es als supermassereicher Schwerkraftgigant im Zentrum einer Galaxie sitzen.

Nahezu alle bisher von Astronomen entdeckten Schwarzen Löcher gehören zu zwei Kategorien. Entweder sind sie stellare Schwarze Löcher von maximal rund 50 Sonnenmassen, wie sie bei der Supernova eines massereichen Sterns entstehen. Oder es handelt sich um supermassereiche Giganten von einer Million bis zehn Milliarden Sonnenmassen, die im Zentrum von Galaxien sitzen. Im Massenbereich dazwischen klafft jedoch eine Lücke, obwohl es der Theorie nach auch intermediäre Schwarze Löcher geben müsste. Diese könnten durch multiple Verschmelzungen stellarer Schwarzer Löcher entstehen, wie sie wahrscheinlich im Herzen von Kugelsternhaufen stattfinden, oder aber durch die Verschmelzung massereicher Sterne zu einem rund 1000 Sonnenmassen schweren Megastern, der dann zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Bisher allerdings gibt es nur einige wenige Kandidaten für solche „Missing Links“ in der Population Schwarzer Löcher.

Verräterisches Echo im Gammastrahlenpuls

Jetzt könnten Astronomen um James Paynter von der University of Melbourne einen weiteren Kandidaten für ein intermediäres Schwarzes Loch aufgespürt haben – auf neue Weise. Für ihre Studie wertete das Team subtile Verzögerungen im Licht ferner Gammastrahlenausbrüche aus. Diese kurzen, aber extrem starken Strahlenausbrüche entstehen unter anderem bei Supernovae oder Kollisionen von Sternen. Ein Teil der dabei freigesetzten Energie strahlt in Form kurzwelliger, sehr energiereicher Gammastrahlenblitze ins All hinaus, die selbst aus Millionen oder sogar Milliarden Lichtjahren Entfernung noch mit Gammastrahlenteleskopen im Erdorbit detektierbar sind. Wenn diese Gammastrahlen auf ihrem Weg zur Erde ein Objekt mit großer, kompakter Masse passieren, beispielsweise eine Galaxie, einen Sternenhaufen oder auch ein größeres Schwarzes Loch, dann lenkt dessen Gravitationswirkung die Strahlung leicht ab.

Dadurch kommt es zu einem Gravitationslinsen-Effekt: Bei sichtbarem Licht können durch die schwerkraftbedingte Verzerrung des Lichts vergrößerte Doppelbilder oder Lichtringe entstehen, bei Gammastrahlen ist es ähnlich. Weil aber Gammastrahlenteleskope keine ausreichend hohe räumliche Auflösung besitzen, zeigt sich ein solcher Gravitationslinsen-Effekt bei ihnen als charakteristische Aufspaltung und Verzögerung des Signals: „Die Beobachtungs-Signatur eines solchen Linsenereignisses ist ein anfänglicher Gammastrahlenpuls, dem ein ‚Echo‘ folgt“, erklären Paynter und sein Team. Das Spannende daran: Aus der Verzögerung und den Merkmalen dieses Echos lässt sich ablesen, welche Masse und Eigenschaften das kosmische Objekt hat, das die Gammastrahlung abgelenkt hat. Die Forscher fahndeten daher in einem Datensatz von 2700 Gammastrahlenausbrüchen nach einem Echo-Signal, das die Merkmale eines intermediären Schwarzen Lochs besitzt.

Linseneffekt passt zu intermediärem Schwarzen Loch

Bei einem Gammastrahlenausbruch wurden die Astronomen fündig: Der kurze Ausbruch GRB 950830 zeigte eine Strahlungskurve, die auf den Effekt einer Gravitationslinse mit rund 55.000 Sonnenmassen hindeutete. „In diesem Massenbereich gibt es drei astrophysikalische Objekte, die als Linse dienen können: Kugelsternhaufen, Halos aus Dunkler Materie oder Schwarze Löcher“, schreiben Paynter und seine Kollegen. Ihren Berechnungen nach sind Kugelsternhaufen aber zu selten und Halos passen von der inneren Verteilung ihrer Masse nicht zur beobachteten Verzerrung der Gammastrahlen. Nach Ansicht der Astronomen spricht daher vieles dafür, dass hinter diesem Gravitationslinsen-Effekt beim Gammastrahlenausbruch ein Schwarzes Loch steckt. Und aufgrund seiner Masse müsste dieses dann eines der lange gesuchten intermediären Schwarzen Löcher sein.

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Spannend auch: „Dieses neu entdeckte Schwarze Loch könnte ein altes Relikt sein – ein primordiales Schwarzes Loch, das im frühen Universum von den ersten Sternen und Galaxien gebildet wurde“, erklärt Co-Autor Eric Thrane von der Monash University. „Diese frühen Schwarzen Löcher könnten die Keimzellen der supermassereichen Schwarzen Löcher sein, die heute im Herzen der Galaxien sitzen.“ Denn wie diese schwersten Vertreter der Schwarzen Löcher entstehen, ist bislang erst in Teilen geklärt. Astronomen gehen aber davon aus, dass sie durch Verschmelzungen kleinerer Vorläufer und weiteres Wachstum gebildet werden. „Wir wissen zwar, dass diese supermasereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der meisten, wenn nicht aller Galaxien sitzen. Aber wir verstehen noch nicht, wie diese Giganten seit Beginn des Universums so groß werden konnten“, ergänzt Paynter.

Quelle: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01307-1

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