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Astronomie

Schwarze Löcher: Mittelklasse auf der Spur

Aufnahmen des Zentrums der Galaxie SDSS J152120.07+140410.5 haben erfasst, wie ein Schwarzes Loch einen Stern verschlungen hat. Kredit: NASA, ESA, Ryan Foley/UC

Ein Ende in speziellem Glanz: Das Aufleuchten eines Sterns im tödlichen Bann „finsterer Gravitationskraft“ hat Astronomen den Hinweis auf ein intermediäres Schwarzes Loch im Inneren einer Zwerggalaxie geliefert. Die Ergebnisse könnten die Grundlage für die weitere Suche nach möglichen Exemplaren dieser schwer fassbaren Kategorie bilden. Dies könnte unter anderem dabei helfen, die vermutete Rolle der mittelschweren Versionen bei der Entstehung der supermassereichen Schwarzen Löcher zu erforschen, sagen die Astronomen.

Ihre Schwerkraft krümmt den Raum so stark, dass nicht einmal das Licht entkommen kann. Durch diese spektakuläre Eigenschaft gehören Schwarze Löcher zu den faszinierendsten Objekten der Astronomie. Die kosmischen „Finsterlinge“ werden nach ihrer Masse drei Hauptkategorien zugeordnet: Die oberste bilden die supermassereichen Giganten von hunderttausenden bis zehn Milliarden Sonnenmassen, die im Zentrum von großen Galaxien sitzen. Bei der unteren Kategorie handelt es sich um die sogenannten stellaren Schwarzen Löcher, die durch die Supernova-Explosion massereicher Sterne entstanden sind. Dazwischen liegen die bisher rätselhaften intermediären Versionen mit Tausenden von Sonnenmassen, die vermutlich durch Kollisionen entstehen. Man vermutet, dass sie vor allem in Zwerggalaxien vorkommen könnten. Es gibt zwar Kandidaten – doch bisher lassen sich die intermediären schwarzen Löcher schwer nachweisen.

Masse im Spiegel von Todeslicht

Im Fall der supermassereichen Schwarzen Löcher beruht der Nachweis häufig auf dem Licht, das von Gasscheiben um die Gravitationsgiganten ausgesandt wird. Außerdem machen sie sich bemerkbar, wenn sie einen Stern verschlingen, der in ihren „Strudel“ geraten ist. Durch die enormen Gravitationskräfte kommt es dabei zu einem sogenannten „Tidal Disruption Event“ (TDE) bei dem der Stern zerrissen wird und stark aufleuchtet. Der Verlauf dieses Strahlungsausbruches kann dabei Rückschlüsse auf die Masse ermöglichen, ging bereits aus frühen Untersuchungen bei supermassereichen Schwarzen Löchern hervor. Dieses TDE-Verfahren hat ein internationales Wissenschaftlerteam nun im Fall eines leuchtenden Sterntods angewandt, der sich im Zentrum einer von uns etwa 850 Millionen Lichtjahre entfernten Zwerggalaxie ereignet hat.

Das Strahlungsfeuer wurde im Rahmen des Young Supernova Experiment (YSE) aufgezeichnet – einer Durchmusterung mittels verschiedener astronomischer Einrichtungen, die kosmische Explosionen und vorübergehende astrophysikalische Ereignisse aufspüren soll. Wie die Wissenschaftler berichten, umfassten die Daten die Strahlung, die freigesetzt wurde, als das Schwarze Loch begann, den Stern zu verschlingen sowie den weiteren Verlauf. Wie sie erklären, lieferte die Dauer des Ereignisses eine Grundlage für Berechnungen. „Vor allem, weil uns die YSE-Daten so viele frühe Informationen über das Ereignis lieferten, konnten wir schließlich Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs gewinnen“, sagt Erstautorin Charlotte Angus vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen.

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Hinweis auf mittlere Masse

Aus den Ergebnissen geht hervor, dass das Schwarze Loch, das den Stern verschlungen hat, weniger als eine Million bis etwa nur 50.000 Sonnenmassen besitzt. Es könnte sich somit um ein intermediäres Schwarzes Loch handeln. „Dieses Ergebnis ist bedeutend, weil sich abzeichnet, dass wir mit Tidal Disruption Events Schwarze Löcher mittlerer Masse in Zwerggalaxien finden und ihre Masse untersuchen können“, sagt Co-Autor Ryan Foley von der University of California in Santa Cruz (UCSC). Dies könnte eine Grundlage für künftige Studien über mittelgroße Schwarze Löcher bilden, um diese schwer fassbare Kategorie besser zu verstehen.

Wie die Forscher betonen, geht es dabei auch nicht nur um die Mittelklasse selbst. Astronomen vermuten, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher aus den mittelschweren Versionen entstanden sein könnten. „Eine der größten offenen Fragen in der Astronomie ist derzeit, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher gebildet haben“, sagt Co-Autorin Vivienne Baldassare von der Washington State University in Pullman. Es könnte sein, dass das frühe Universum voller kleiner Zwerggalaxien mit mittelschweren Schwarzen Löchern war. Im Laufe der Zeit verschmolzen diese Zwerggalaxien oder wurden von massereicheren Galaxien verschluckt. Dabei könnten sich ihre Kerne vereinigt haben. Dieser Verschmelzungsprozess hätte dann die extremen Giganten hervorgebracht, die wir heute sehen. „Wenn wir die Population der mittelschweren Schwarzen Löcher da draußen verstehen können – wie viele es sind und wo sie sich befinden – können wir Hinweise gewinnen, ob unsere Theorien über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher richtig sind“, sagt Co-Autor Enrico Ramirez-Ruiz von der UCSC.

Quelle: University of California – Santa Cruz, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-022-01811-y

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