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Astronomie+Physik

Schwarze Löcher aus der Urzeit

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Energiemonster aus dem All: ein 100 Millionen Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch. (Foto: ASA, CXC, A. Siemiginowska et al., NASA, STScl. NSF, NRAO, VLA)
Sie sind kurz nach dem Urknall entstanden oder sogar noch früher. Ihre Spuren ziehen sich bis heute durchs All.

er Weltraum ist nicht leer, auch wenn das immer wieder behauptet wird, sondern von Strahlung geradezu durchflutet. Ein großer Teil stammt von einzelnen Quellen nah und fern. Aber es gibt noch eine diffuse Komponente in ganz unterschiedlichen Wellenlängen, die sich nicht direkt lokalisieren lässt. Die Kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich, die aus einer Zeit knapp 400 000 Jahre nach dem Urknall stammt, als der Weltraum quasi durchsichtig wurde, ist das bekannteste Beispiel (bild der wissenschaft 9/2013, „Der Himmelscode“).

Doch das ist nicht die einzige Hintergrundstrahlung. Eine andere erfüllt den Weltraum im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung. Diesen Kosmischen Röntgenhintergrund (cosmic X-ray background, abgekürzt CXB) haben Röntgendetektoren in Höhenraketen bereits 1962 gemessen. Aber es dauerte mehr als drei Jahrzehnte, bis die Astrophysiker den Ursprung des größten Teils dieser Strahlung herausfanden. Über 90 Prozent stammen von Quasaren und Aktiven Galaktischen Kernen, also von Galaxienzentren, in denen sich jeweils ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, das sich Materie einverleibt. Diese Schwerkraftfallen haben eine Masse von einer Million bis zu zehn Milliarden Sonnen und verschlingen gleichsam alles, was in die Nähe ihres Gravitationsschlunds gerät. Dabei werden enorme Mengen an Strahlung frei, auch im Röntgenbereich. Diese Strahlung ist quasi der Todesschrei der Materie.

Wie ein Staubkorn in Berlin

Solche Energiemonster können 100 bis 1000 Mal so hell leuchten wie die ganze Galaxie, obwohl sie nur etwa so groß sind wie das Sonnensystem. Zum Größenvergleich: Hätte eine solche Aktive Galaxie das Ausmaß von Berlin, dann wäre ihr Aktiver Kern beziehungsweise der Quasar wie ein Staubkorn auf dem Brandenburger Tor – das aber viel heller leuchten würde als alle Lichter der Großstadt zusammen.

„Die große Frage ist natürlich, was den Rest des Röntgenhintergrunds verursacht hat“, sagt Günther Hasinger. Der Röntgenastronom, der früher unter anderem an den Max-Planck-Instituten für Extraterrestrische Physik sowie für Plasmaphysik forschte und sich über den CXB habilitierte, ist seit 2011 Direktor des Institute for Astronomy der University of Hawaii. Inzwischen hat Hasinger mit seinen Kollegen eine Antwort gefunden – und zwar über den Umweg des Nahen Infrarot. Auch in diesem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung gibt es eine Hintergrundstrahlung. Dieser Kosmische Infrarothintergrund (CIB) stammt überwiegend von Galaxien und warmem Gas, das durch die ersten Sterne aufgeheizt wurde.

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Erste CIB-Anzeichen meinten Astronomen schon in den 1990er-Jahren in den Daten des Cosmic Background Explorer (COBE) entdeckt zu haben. Doch das war umstritten wegen eines „ Vordergrundrauschens“ aus dem Sonnensystem, dem sogenannten Zodiakallicht vom interplanetarischen Staub.

Mit dem Spitzer-Weltraumteleskop wurde der CIB sukzessive immer präziser gemessen, wobei die Arbeiten von Alexander Kashlinsky vom Goddard Space Flight Center der NASA wegweisend waren. Der genaueste Datensatz wurde 2012 veröffentlicht. Er brachte den Durchbruch für die CXB-Analyse.

Es gibt nämlich einen Bereich am Himmel, der sowohl im Nahen Infrarot als auch im Röntgenbereich mit extrem hoher Auflösung und Empfindlichkeit von den Weltraumteleskopen Spitzer und Chandra durchmustert wurde: Es handelt sich um einen langen Streifen mit der Fläche von etwa 0,1 Quadratgrad im Sternbild Bärenhüter (unter Fachleuten als „Extended Groth Strip“ bekannt). Das Röntgenobservatorium Chandra konnte 80 bis 90 Prozent der Strahlung in Punktquellen auflösen – hauptsächlich sind es Aktive Galaxienzentren, aber es gibt auch Starburst- Galaxien mit heftiger Sternbildung, normale Galaxien sowie Galaxiengruppen und -haufen. Der Rest blieb als diffuses Leuchten übrig.

Das Erstaunliche: Die Intensitätsverteilung dieser Strahlung im weichen Röntgenbereich bei 0,5 bis 2 Kiloelektronenvolt geht mit der Verteilung der Strahlung des Infrarothintergrunds bei 3,6 und 4,5 Mikrometer einher. Das gilt für Winkel am Himmel von mehr als 20 Bogensekunden und ist statistisch hochsignifikant (3,8 und 5,6 Sigma), wie ein internationales Astronomenteam um Hasinger und Kashlinsky herausfand. Nico Cappelluti von der University Bologna hat dabei die Hauptarbeit der Datenanalyse gemacht.

Kosmisches Wetterleuchten

„Wir wollten die Natur der Quellen in dieser frühen Epoche genauer verstehen. Daher habe ich vorgeschlagen, die Chandra-Daten im Hinblick auf Korrelationen mit dem CIB zu untersuchen“, sagt Hasinger. Auf die Idee war er schon 2003 gekommen, aber damals waren die Beobachtungsdaten noch zu schlecht. Das änderte sich mit Chandra und Spitzer. Zwar können auch diese Superteleskope nicht den gesamten Hintergrund in einzelne Quellen auflösen, doch die gefundene Korrelation erlaubt Rückschlüsse. „Ähnlich wie beim Wetterleuchten“, erklärt Hasinger. „Da sieht man auch nur einen diffusen Schein und kann die einzelnen Blitze nicht auflösen.“ Der Unterschied ist allerdings die Zeitskala: Die irdischen Teleskope sehen quasi nur eine Momentaufnahme des Jahrmilliarden währenden Feuerwerks im All.

Das ist wie wenn man ein Feuerwerk über Stuttgart zünden würde. In München könnte das niemand auf Himmelsbildern sehen. Gelänge es aber, alle Strahlungsquellen zwischen den beiden Städten sorgfältig aus den Aufnahmen zu entfernen, bliebe ein diffuser schwacher Schein übrig. Und dass über Stuttgart wirklich ein Feuerwerk explodierte, ließe sich erhärten, wenn man noch ein anderes Signal fände, etwa Rauchschwaden in der Luft. Mit einem solchen Indiz vergleicht Hasinger die Infrarotstrahlung.

Welches Feuerwerk hinter den korrelierten Signalen im Infrarot- und Röntgenhintergrund steckt, ist freilich noch nicht ganz klar. Manche Wissenschaftler vermuten kurzlebige Riesensterne mit der 100- bis 1000-fachen Masse unserer Sonne. Solche Sterne gibt es im gegenwärtigen Universum zwar nicht, aber vor über 13 Milliarden Jahren waren die physikalischen Bedingungen anders: Es existierten noch keine Elemente schwerer als Lithium, die die Sternentstehung und -entwicklung stark beeinflussen, obwohl ihr Anteil an der gewöhnlichen Materie selbst heute nur etwa ein Prozent beträgt.

Eine andere Erklärung geht auf Überlegungen der Astrophysiker Mitch Begelman und Martin Rees aus dem Jahr 2006 zurück. Ein chinesisch-italienisches Forscherteam um Bin Yue von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking hat sie letztes Jahr verfeinert. Dieser Hypothese zufolge stammen die Hintergrund-Signale von sogenannten intermediären oder mittelgroßen Schwarzen Löchern (bild der wissenschaft 3/2011, „ Das finstere Reich der Mitte“).

Kollaps aus dem Urgas

Der Clou dabei: Sie müssen gar nicht aus dem Kollaps einzelner Sterne oder Sternhaufen stammen, sondern könnten direkt aus einer überdichten Gaswolke entstanden sein. In Gaswolken ohne schwerere Elemente kühlen Verklumpungen nicht so einfach ab, wie es durch die Anwesenheit von Kohlenmonoxid-Molekülen möglich ist, die als „ Kühlmittel“ wirken. Doch ohne Abstrahlung von Wärme gibt es keinen Kollaps. Immerhin können Wasserstoff-Moleküle (H2) ein Teil der Energie abführen.

Die ersten Sterne, die ungefähr 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind, emittierten intensive Ultraviolett-Strahlung – und die zerstörte die H2-Moleküle. Das unterbrach die Sternbildung und verhinderte, dass die großen Gaswolken fragmentierten, also zu Kugelsternhaufen kollabierten. Stattdessen mussten sie, wenn ihre Dichte einen Schwellenwert überschritt, direkt zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzen – mit der 1000- bis Millionen- fachen Masse unserer Sonne. Da diese direkt aus einer Gaswolke kollabierten Schwarzen Löcher (Directly Collapsed Black Holes, DCBH) weiter von großen Mengen an Gas umgeben waren, das sie sich einverleibten, wuchsen sie rasch.

Dieses Modell würde auch ein großes Rätsel der Astrophysik lösen: Es kann erklären, warum bereits ein oder zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall in den Urgalaxien supermassereiche Schwarze Löcher von teils Milliarden Sonnenmassen existierten (bild der wissenschaft 3/2011, „Kreative Schwerkraftmonster“). Darauf lässt nämlich die gigantische und stark schwankende Aktivität der fernsten Quasare schließen.

Weil die DCBH zunächst noch von dichtem Gas umgeben waren, kam ihre Röntgenstrahlung nicht weit. Sie wurde von den Wasserstoff-Atomen ringsum absorbiert und in anderen Wellenlängen wieder ausgestrahlt – daher, so die Idee, tragen die DCBHs zwar zum Röntgenhintergrund bei, sind aber zu leuchtschwach, um selbst mit den gegenwärtigen hochauflösenden Teleskopen wie Chandra als einzelne Quellen lokalisiert werden zu können.

Gierige Gravitationsschlünde

Hasinger und seine Kollegen favorisieren die direkt kollabierten Schwarzen Löcher als Quelle sowohl des diffusen Röntgenhintergrunds als auch des Infrarothintergrunds. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Schwarze Löcher mindestens 20 Prozent des Kosmischen Infrarothintergrunds hervorbringen“, sagt Alexander Kashlinsky. „Das deutet auf eine intensive Aktivität in der Umgebung der Schwarzen Löcher hin, weil diese Gas verschlingen.“

In einer weiteren Analyse, die demnächst im Astrophysical Journal erscheinen wird, haben Hasinger, Kashlinsky, Cappeluti und ihre Kollegen – vor allem der Doktorand Kari Helgason – Modelle anderer Quellen für die CIB-CXB-Signale detailliert abgeschätzt: Aktive Galaxienzentren, gewöhnliche Galaxien, heißes Gas in und zwischen Galaxien, Röntgendoppelsterne und diffuse Emissionen galaktischer Halos. Ergebnis: Weder einzelne dieser Quellen noch alle zusammen können den Überschuss im Infrarot- und Röntgenhintergrund erklären.

Und es existiert auch kein Zusammenhang mit extrem tiefen Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops. „Also muss es neue, nicht direkt beobachtbare Quellen geben, die bis zu 20 Prozent des Hintergrunds liefern“, schließen die Wissenschaftler. Die urzeitlichen Schwarzen Löcher sind dabei ihr heißester Kandidat. Sie haben sogar die Gesamtmasse abgeschätzt: rund 100 bis 1000 Sonnenmassen pro Kubikmegaparsec (ein Megaparsec sind 3,25 Millionen Lichtjahre).

Künftige Messungen werden zeigen, ob wirklich Schwarze Löcher aus der Urzeit ihre strahlenden Abdrücke bis heute hinterlassen haben. „Wenn wir den Röntgenhintergrund auch in anderen Frequenzen bestimmen können, muss sein Spektrum eine charakteristische Form besitzen. Das ist eine überprüfbare Voraussage“, meint Hasinger und skizziert die Kurve, die er erwartet. „Außerdem müssten künftige Observatorien wie das James Webb Space Telescope Lyman-Alpha-Signale des Wasserstoffs im Infraroten sehen können.“

Wenn die urzeitlichen Schwarzen Löcher aber keine DCBHs sind, könnten sie eine noch spektakulärere Möglichkeit eröffnen, überlegt Hasinger: „Vielleicht sind sie schon vor dem Urknall entstanden – in einem Vorläufer-Universum, das kollabiert ist –, und haben diesen kosmischen Phasenübergang, der uns als Urknall erscheint, irgendwie überlebt.“ Wenn das stimmt, dann hätten die Astrophysiker die ältesten Objekte überhaupt entdeckt. •

RÜDIGER VAAS ist Astronomie- Redakteur von bild der wissenschaft und Autor zweier Bücher über Schwarze Löcher. Dieser Beitrag entstand bei einer Reise mit Günther Hasinger auf Hawaii.

Harte Strahlung aus dem All

er Röntgenhintergrund im All besteht aus zwei Komponenten: einem galaktischen und einem kosmischen Anteil. Der kosmische stammt überwiegend aus der Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher. Nicht aber der Galaktische Röntgenhintergrund: Er wurde Ende der 1970er-Jahre entdeckt. Er dehnt sich diffus über die gesamte Milchstraße aus und konzentriert sich in Richtung zur galaktischen Ebene. Damals ließ er sich nicht in einzelne Quellen auflösen – im Gegensatz zu lokalisierbaren Röntgen- emittern wie Neutronensternen und die Umgebung stellarer Schwarzer Löcher.

Die „weiche“, das heißt energieärmere Komponente dieser Strahlung entschlüsselten Messungen des deutschen Satelliten Rosat: Sie stammt von heißem Gas aus Supernova-Überresten. Die härtere, energiereichere Komponente dagegen blieb rätselhaft. Die Vermutung, dass auch sie durch heißes Gas erzeugt wird, passte nicht zum Spektrum der Strahlung. Ein solches Gas könnte sich auch nicht dauerhaft im Schwerefeld der Milchstraße halten, sondern würde entweichen und dabei große Mengen an Energie mit sich nehmen.

Den Ursprung dieses „härteren“ Anteils des Galaktischen Röntgenhintergrunds haben Mikhail Revnivtsev vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München und seine Kollegen mithilfe der Satelliten Rosat, RXTE, Integral und Chandra ergründet: Er setzt sich aus der überlagerten Strahlung vieler schwacher Punktquellen zusammen. Dass dies der Fall ist, belegt eine Korrelation der sogenannten Röntgen-Flächenhelligkeit mit der Verteilung massearmer Sterne im Nahen Infrarot – und zwar sowohl innerhalb der galaktischen Scheibe als auch im Zentralbereich der Milchstraße. Und es passt auch gut zu Beobachtungen der Sonnenumgebung im Umkreis von 300 Lichtjahren.

Daraus folgerten die Astrophysiker, dass der Röntgenhintergrund hauptsächlich aus zwei Quellen stammt: aus aktiven Einzel- und Doppelsternen mit heftigen Ausbrüchen auf ihrer Oberfläche und aus Weißen Zwergen in Doppelsternsystemen, wenn dort der alte kollabierte Sternrest seinem Nachbarn Materie entzieht, die dann unter Freisetzung gewaltiger Energiemengen auf den Zwerg stürzt. Diese Schlussfolgerung stimmt mit weiteren Beobachtungen überein: Zum Beispiel mit der spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung, die ab 20 Kiloelektronenvolt stark abfällt. „Dies passt zur Maximaltemperatur thermischer Strahlung aus der Freisetzung von Gravitationsenergie an der Oberfläche des akkretierenden Weißen Zwergs“, schreibt Revnivtsev.

Dazu kommt ein Bild hoher Auflösung vom Galaktischen Zentrum, das Chandra rund eine Million Sekunden lang aufgenommen hatte. Es zeigt, dass hier Punktquellen mit Röntgenhelligkeiten von über 1031 Erg pro Sekunde über 40 Prozent des Röntgenhintergrunds liefern. Der Rest stammt aus Quellen, die zu schwach sind, um von Chandra direkt gesehen zu werden. •

von Rüdiger Vaas

Kompakt

· Der Kosmische Röntgenhintergrund (CXB) stammt überwiegend von der Strahlung supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von Aktiven Galaxien.

· Ein kleiner CXB-Anteil gab bislang Rätsel auf. Nun hat sich gezeigt: Er geht mit einer erhöhten Intensität im Kosmischen Infrarothintergrund einher.

· Daraus schließen Astrophysiker, dass sowohl die Röntgen- als auch die Infrarotstrahlung wahrscheinlich von Schwarzen Löchern stammt, die mit oder sogar schon vor den ersten Sternen entstanden sind.

Mehr zum Thema

Lesen

Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern:

Günther Hasinger DAS SCHICKSAL DES UNIVERSUMS C.H. Beck, München 2009, 4. Aufl., € 22,90

Rüdiger Vaas HAWKINGS KOSMOS Kosmos, Stuttgart 2011, 2. Aufl., € 24,95

Internet

Homepage von Günther Hasinger: www.ifa.hawaii.edu/users/hasinger/default/hasinger.shtml

© wissenschaft.de – Rüdiger Vaas
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