MIKROQUASARE
Wachstumsbremse bei Schwarzen Löchern
von Stefan Deiters
astronews.com
27. März 2009

Neue Beobachtungen des NASA-Röntgenteleskops Chandra könnten erklären helfen, wie es einer bestimmten Klasse von Schwarzen Löchern gelingt, in unregelmäßigen Abständen einen gebündelten Teilchenstrahl, einen sogenannten Jet, ab- und wieder einzuschalten. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass diese Schwarzen Löcher über einen Mechanismus verfügen, der regelt, mit welcher Rate sie wachsen.

Die Himmelsregion, in der der Mikroquasar GRS 1915+105 zu finden ist, im Optischen und Infraroten sowie ein Chandra-Bild des Objektes (Kasten). Bild: NASA / CXC /Harvard / J. Neilsen (Röntgen) / Palomar DSS2 (Optisch & IR) [Großansicht]

Schwarze Löcher gibt es in unterschiedlichen Größenklassen: Da sind zum einen die gewaltigen Schwerkraftfallen in den Zentren von Galaxien, die über die Millionen- bis Milliardenfache Masse unserer Sonne verfügen können. Und es gibt die sogenannten stellaren Schwarzen Löcher, deren Masse bei vielleicht der sieben- bis 25-fachen Masse unserer Sonne liegt. Von einigen dieser stellaren Schwarzen Löcher schießen gebündelte Teilchenstrahlen, sogenannte Jets, ins All. Da sie damit ein ähnliches Verhalten zeigen wie die Quasare, also aktive supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum einer Galaxie, nennt man diese Miniaturausgabe auch "Mikroquasare".

Die neue, jetzt vorgestellte Untersuchung beschäftigt sich mit einem recht prominenten Mikroquasar in der Milchstraße, der die Bezeichnung GRS 1915+105 trägt. Die Beobachtungen konzentrierten sich auf einen Bereich in der Nähe des sogenannten Ereignishorizonts, also der "Grenze" um ein Schwarzes Loch, ab der es kein Zurück mehr gibt. GRS 1915+105 besteht aus einem Schwarzen Loch mit der etwa 14-fachen Masse unserer Sonne und einem Begleitstern, von dem das Schwarze Loch Material abzieht. Dieses sammelt sich, bevor es im Schwarzen Loch verschwindet, in einer Scheibe um die Schwerkraftfalle. Die Astronomen nennen solche Scheiben Akkretionsscheiben.

Das System ist für die Astronomen vor allem deswegen interessant, da sein Verhalten alles andere als vorhersagbar ist: Durch bislang kaum verstandene Wechselwirkungen zwischen der Akkretionsscheibe und einem Jet im Radiobereich kommt es zu einer Variabilität des Objektes, die sich auf Zeitskalen abspielt, die von Sekunden bis hin zu Monaten reichen. Insgesamt konnten die Astronomen 14 verschiedene Variabilitätsmuster ausmachen.

Mit seinem Spektrographen hat Chandra GRS 1915+105 seit 1999 insgesamt elf Mal beobachtet. Eine Auswertung dieser Daten deutet darauf hin, dass der Jet von GRS 1915+105 immer dann verschwindet, wenn ein im Röntgenbereich sichtbarer heißer Wind von der Akkretionsscheibe ausgestoßen wird. Die Forscher vermuten, dass die Partikel des Windes, dem Mechanismus, der den Jet antreibt, fehlen und dieser dadurch zum Erliegen kommt. Ist der Wind verschwunden, erscheint der Jet aufs Neue.

"Wir glauben, dass es hier ständig einen Wettkampf zwischen Wind und Jet gibt", erläutert Joseph Neilsen, ein Doktorand an der Harvard University und Hauptautor eines Fachartikels, der jetzt in der Zeitschrift Nature über die Resultate erschienen ist. "Manchmal gewinnt der eine und dann, aus einem Grund, den wir nicht verstehen, bekommt der andere die Oberhand."

Die jüngsten Daten zeigen auch, dass durch den Wind und den Jet in etwa die gleiche Menge von Material aus der Umgebung des Schwarzen Lochs wegtransportiert wird. Dies werten die Astronomen als Hinweis darauf, dass das Schwarze Loch irgendwie die Materiemenge reguliert, die es aufnimmt. Der Mechanismus, durch den dies geschieht, könnte etwas mit dem Wechsel vom Jet zum Wind und wieder zurück zu tun haben. Eine solche Selbstregulierung ist den Astronomen schon von den supermassereichen Schwarzen Löchern bekannt, bei stellaren Schwarzen Löchern konnte sie aber hier erstmals klar nachgewiesen werden.

"Es ist faszinierend, dass wir eventuell gerade dabei sind, zwei Rätsel auf einmal zu lösen, nämlich wie der Jet eines Schwarzen Lochs ausgeschaltet werden kann und wie die Schwarzen Löcher ihre Akkretionsrate regulieren", meint Julia Lee, die als Assistenzprofessorin am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics arbeitet und auch eine Autorin des Nature-Fachbeitrags ist. "Vielleicht können sich Schwarze Löcher besser selbstregulieren als der Finanzmarkt."

Obwohl sich Mikroquasare und Quasare in ihrer Masse um Faktoren von vielen Millionen unterscheiden, glauben die Astronomen doch, dass man grundsätzliche Ähnlichkeiten finden kann, wenn man die unterschiedlichen Größenordnungen berücksichtigt. "Sollten sich Mikroquasare und Quasare sehr verschieden verhalten, haben wir ein Problem das zu erklären, weil die Gravitation sie eigentlich gleich behandelt", so Neilsen. "Unsere Ergebnisse sind deswegen sehr beruhigend, weil sie eine weitere Gemeinsamkeit zwischen diesen verschiedenen Typen von Schwarzen Löchern zeigen."

Die wesentlichen Unterschiede zwischen den "großen" und "kleinen" Schwarzen Löchern sollten die Zeitskalen betreffen, auf denen sich bestimmte Prozesse abspielen: Beobachtet man beispielsweise bei GRS 1915+105 Änderungen in jeder Stunde, entspräche dies Schwankungen bei supermassereichen Schwarzen Löchern auf Zeitskalen von rund 10.000 Jahren. "Bei supermassereichen Schwarzen Löchern ist es sehr unwahrscheinlich, dass wir so detaillierte Beobachtungen bekommen", meint Lee. "Deswegen können wir jede Menge über Schwarze Löcher lernen, wenn wir stellare Versionen wie dieses hier untersuchen."

Noch gar nicht verstanden haben die Astronomen, wieso der Jet wieder "anspringt", wenn der Wind von der Akkretionsscheibe nachgelassen hat. "Jedes größere Observatorium im Weltall und auf der Erde hat dieses Schwarze Loch in den vergangenen zwei Jahrzehnten untersucht", so Neilsen. "Noch immer haben wir nicht alle Antworten, aber wir glauben, dass unsere Resultate ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung sind."