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Astronomie

Schwarzes Loch an seiner Kraft erkannt

Künstlerische Darstellung des Schwarzen Lochs und „seines“ Sterns im Sternhaufen NGC 1850. (Bild: ESO/M. Kornmesser)

Fortschritt in der „Gravitationsmonster-Forschung“: Astronomen haben durch eine indirekte Nachweismethode ein Schwarzes Loch in einem Sternhaufen außerhalb der Milchstraße entdeckt. Das vergleichsweise kleine und noch junge Exemplar offenbarte sich dabei anhand seines gravitativen Einflusses auf die Bewegung eines nahen Sterns. Das Verfahren könnte nun zur Entdeckung weiterer Schwarzer Löcher führen, die bisher unerkannt geblieben sind. Dies könnte wiederum Licht auf die Entstehung und Entwicklung der mysteriösen Himmelskörper werfen, sagen die Forscher.

Ihre gigantischen Massen krümmen den Raum so stark, dass nicht einmal das Licht entkommen kann: Schwarze Löcher stehen wegen ihrer spektakulären Merkmale schon lange im Fokus der Astrophysik. Was sie so spannend macht, sorgt dabei allerdings auch für große Herausforderungen bei der Erforschung: Durch ihren „finsteren“ Charakter lassen sie sich nur schwer nachweisen. Sie machen sich allerdings durch bestimmte Effekte auf Raum und Materie bemerkbar. Dadurch wurden auch bereits Rückschlüsse auf die Massen von Schwarzen Löchern möglich. Man ordnet sie dabei drei Kategorien zu: kleine und mittlere Schwarze Löcher sowie die absoluten Gravitationsgiganten – supermassereiche Schwarze Löcher mit Millionen bis Milliarden von Sonnenmassen.

Fahndung nach „Tätern“

Besonders schwer zu entdecken sind die kleinen Vertreter, die manchmal nur um die zehn Sonnenmassen oder weniger besitzen. Vor allem wurden diese „stellaren“ Schwarzen Löcher bisher nur selten außerhalb unserer Milchstraße aufgespürt. Dabei verrieten sie sich meist durch Röntgenlicht, das sie beim Verschlucken von Materie aussendeten, oder auch durch Gravitationswellen, die bei der Kollision von Schwarzen Löchern untereinander oder mit Neutronensternen entstehen. Die meisten Schwarzen Löcher mit Sternmasse zeigen sich aber nicht auf diese Weise und bleiben deshalb verborgen. Deshalb hat das internationale Forscherteam nun die Möglichkeit ausgelotet, extragalaktische Schwarze Löcher über ein dynamisches Nachweisverfahren – anhand von Bewegungsmustern – nachzuweisen. „Wenn Schwarze Löcher ein System mit einem Stern bilden, beeinflussen sie dessen Lauf auf subtile, aber nachweisbare Art, sodass wir sie mit hochentwickelten Instrumenten finden können“, erklärt Co-Autor Stefan Dreizler von der Universität Göttingen das Grundprinzip des Ansatzes.

Die Wissenschaftler nahmen im Rahmen ihrer Untersuchungen den aus Tausenden von Sternen bestehenden Haufen NGC 1850 ins Visier. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 160.000 Lichtjahren von uns in der Großen Magellanschen Wolke – einer Nachbargalaxie der Milchstraße. Zum Einsatz kam der Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile. Die Forscher nutzten das Instrument, um die Spektren von Tausenden von Sternen in dem Haufen gleichzeitig zu analysieren. „Ähnlich wie Sherlock Holmes, der eine kriminelle Organisation anhand ihrer Taten aufspürt, betrachten wir jeden einzelnen Stern in diesem Haufen mit einer Lupe in der Hand und versuchen, Hinweise für die Existenz von Schwarzen Löchern zu finden, ohne sie jedoch direkt zu sehen“, verdeutlicht Erstautorin Sara Saracino von der Liverpool John Moores University den Ansatz.

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Finsterer Tanzpartner

Die Fahndung führte schließlich auf die Spur der „Machenschaften“ eines Schwarzen Loches bei einem Stern mit etwa fünf Sonnenmassen: Er zeigte ungewöhnlich wiederkehrende Veränderungen in seinem Strahlungsmuster. Wie die Forscher erklären, ist dies drauf zurückzuführen, dass sich der Stern periodisch auf uns zu und von uns weg bewegt. Der Verursacher dieses Effekts war allerdings nicht sichtbar. Es handelt sich demnach um ein verborgenes Schwarzes Loch in der Nähe dieses Sterns, das mit ihm gleichsam tanzt – es prägt seine Bewegungen durch seine Gravitationskraft.

Aus den Analysen der gewonnenen Daten ging schließlich hervor, dass es sich um ein Schwarzes Loch mit elf Sonnenmassen handelt. Die Forscher haben also ein kleines – und junges Exemplar identifiziert. Denn der Sternhaufen selbst ist den Schätzungen zufolge erst etwa 100 Millionen Jahre alt – ein Wimpernschlag in astronomischen Maßstäben. Wie sie erklären, können Nachweise von jungen Schwarzen Löchern Licht auf die Entwicklungsgeschichte der finsteren Himmelskörper werfen: Durch den Vergleich mit größeren, weiter entwickelten Vertretern in älteren Sternhaufen könnten sich Hinweise darauf ergeben, wie diese Objekte wachsen, indem sie etwa Sterne verschlingen oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen. Dies könnte somit auch Informationen zu ihrer Rolle als Quellen von Gravitationswellen liefern.

In dem dynamischen Nachweisverfahren sehen die Astronomen nun auch großes Potenzial für die weitere Fahndung nach Schwarzen Löchern: Auf diese Weise könnten mehr junge schwarze Löcher außerhalb oder auch innerhalb der Milchstraße aufdeckt werden. „Bisher haben wir nur einen der gesuchten ‚Täter‘ identifiziert. Aber wenn man einen gefunden hat, ist man auf dem besten Weg, viele andere in verschiedenen Haufen zu entdecken“, sagt Saracino. Ihr Kollege Mark Gieles von der Universität Barcelona sagt dazu abschließend: „Jede einzelne Entdeckung, die wir machen, wird für unser zukünftiges Verständnis von Sternhaufen und den Schwarzen Löchern in ihnen wichtig sein“.

Quelle: ESO

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