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SCHWARZE LÖCHER
Neues Messverfahren spricht für Mittelklasse
von Stefan Deiters
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18. Mai 2007

Mit einer neu entwickelten Methode haben Astronomen ein weiteres Indiz für die Existenz von Mittelklasse-Schwarzen Löchern gefunden. Dieser bislang umstrittene Typ liegt in einem Massenbereich zwischen den aus der normalen Entwicklung massereicher Sterne folgenden stellaren Schwarzen Löchern und den supermassereichen Löchern im Zentrum von Galaxien. Der Fund gelang mit Daten des europäischen Röntgenteleskops XMM-Newton.

Mittelklasse-Schwarzes Loch

So stellt sich ein Künstler ein Schwarzes Loch der Mittelklasse vor, das Ursache für eine sehr leuchtkräftige Röntgenquelle ist.  Bild: NASA

Die elegante Methode zur Bestimmung der Masse von Schwarzen Löchern wurde erstmals 1998 von Lev Titarchuk vorgeschlagen, der derzeit am NASA Goddard Space Flight Center arbeitet. Sie basiert auf einem bestimmten Zusammenhang zwischen der Masse eines Schwarzen Lochs und der Akkretionsscheibe um diese Schwerkraftfalle. In sogenannten Akkretionsscheiben sammelt sich das Material, bevor es endgültig in das Schwarze Loch stürzt.

Erhöht sich die Rate, mit der ein Schwarzes Loch Material anzieht, kommt es zu einem Phänomen, das Titarchuk gern mit einem Verkehrsstau vergleicht: Material staut sich in einer heißen Region, deren Entfernung vom Schwarzen Loch direkt mit dessen Masse in Verbindung steht. Je massereicher das Schwarze Loch ist, desto weiter ist diese heiße Stauregion vom Schwarzen Loch entfernt und desto länger ist die Umlaufdauer des heißen Gases.

In seinem Modell bringt der Wissenschaftler das heiße, sich aufstauende Gas in Verbindung mit Intensitätsschwankungen im Röntgenbereich. Diese Schwankungen sind fast regelmäßig und werden von den Forschern als quasi-periodische Oszillationen (QPO) bezeichnet, die man bei vielen Schwarzen Löchern beobachten kann. Das Auftreten der Oszillationen verrät sich auch durch einfach vorhersagbare Änderungen im Spektrum des Systems, da sich das Gas entsprechend dem "Hunger" des Schwarzen Lochs aufheizt oder abkühlt. Messungen mit dem Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) der NASA haben die enge Beziehung zwischen der Frequenz der QPOs und den Spektren der Schwarzen Löcher inzwischen bestätigt.

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Zusammen mit seinem Kollegen Nikloai Shaposhnikov hat Titarchuk seine Methode an drei stellaren Schwarzen Löchern getestet und gezeigt, dass die aus den QPO berechnete Masse gut mit der Masse übereinstimmt, die mit anderen Verfahren ermittelt wurde. In einer aktuellen Arbeit haben Shaposhnikov und Titarchuk sich das System Cygnus X-1 vorgenommen, das in rund 10.000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Schwan liegt. Es handelt sich hierbei um ein Doppelsternsystem, aus einem blauen Überriesen und einem massereichen, aber unsichtbaren Begleiter.

Die Masse dieses Begleiters, ein stellares Schwarzes Loch, bestimmten die Astronomen nun mit der QPO-Methode auf 8,7 Sonnenmassen - mit einer Fehlertoleranz von 0,8 Sonnenmassen. Andere Verfahren hatten eine Masse von rund zehn Sonnenmassen für das Schwarze Loch geliefert. "Diese Übereinstimmung gibt uns sehr viel Zuversicht, dass unsere Methode funktioniert", so Shaposhnikov. "Sie kann helfen, die Masse von Schwarzen Löchern zu bestimmen, wenn andere Verfahren nicht zur Verfügung stehen", ergänzt  Titarchuk.

Tod Strohmayer und Richard Mushotzky, beide auch vom Goddard Space Flight Center, haben zusammen mit vier Kollegen und unabhängig von Shaposhnikov und Titarchu das Verfahren auf Daten angewandt, die mit Hilfe des europäischen Röntgenteleskops XMM-Newton gewonnen wurden. Dabei stießen sie eher zufällig auf ein Schwarzes Loch mittlerer Masse. Schwarze Löcher gibt es - nach allgemein akzeptierter Theorie - in zwei verschiedenen Größenklassen: die stellaren Schwarzen Löcher, die nach dem Kollaps eines massereichen Sterns entstehen, und Massen zwischen vielleicht fünf und 20 Sonnenmassen aufweisen und die supermassereichen Schwarzen Löcher, die sich im Zentrum der meisten Galaxien finden und mehrere Millionen bis Milliarden Sonnenmassen haben.

Schwarze Löcher mit einer Masse, die zwischen diesen beiden Extremen liegen, wurden schon des Öfteren vorgeschlagen, sind aber nach wie vor umstritten. Sie werden unter anderem als Erklärung für sehr leuchtkräftige Röntgenquellen (Ultra Luminous X-ray (ULX) sources) gehandelt, für die man bislang keine befriedigende Lösung gefunden hat. Strohmayer und seinen Kollegen konnten nun zeigen, dass sich hinter der sehr leuchtkräftigen Röntgenquelle NGC 5408 X-1, die in der irregulären Galaxie NGC 5408 liegt, ein Schwarzes Loch mit der 2.000-fachen Masse unserer Sonne verbirgt. "Das ist eine der besten Indizien bislang für die Existenz für ein Schwarzes Loch mittlerer Masse", so Strohmayer. NGC 5408 liegt rund 16 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Zentaur.

Alles würde, so die Wissenschaftler, darauf hindeuten, dass ein Mittelklasse-Schwarzes Loch Ursache für diese Röntgenquelle in NGC 5408 ist. "Wir haben noch zwei weitere Methoden ausprobiert, um die Masse des Schwarzen Lochs zu bestimmen", erzählt Mushotzky, "und alle drei Methoden stimmen bis auf einen Faktor zwei überein. Wir haben zwar keinen endgültigen Beleg dafür, dass es sich hier um ein Mittelklasse-Schwarzes Loch handelt, aber die Beweislast spricht doch sehr dafür."

Ein Astronom aus dem Team hält allerdings im Fall von NGC 5408 X-1 ein Schwarzes Loch mit einer Masse in der Region von 100 Sonnenmassen für wahrscheinlicher, doch auch dies läge weit über der normalen Masse für stellare Schwarze Löcher, wie etwa Cygnus X-1 eines ist.

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siehe auch
Schwarze Löcher: Neue Hinweise auf Mittelklasse - 9. Januar 2006
Chandra: Neuer Typ von Schwarzen Löchern entdeckt - 13. September 2000
Schwarze Löcher: Die neue Mittelklasse - 25. August 2000
Links im WWW
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