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XMM-NEWTON
Paar aus Schwarzen Löchern in normaler Galaxie
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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23. April 2014

Astronomen haben in einer entfernten Galaxie ein ganz besonderes Paar aus zwei supermassereichen Schwarzen Löchern entdeckt. Das schwergewichtige Duo befindet sich nämlich nicht in einer aktiven Galaxie, sondern im Zentrum eines normalen Systems. Die Entdeckung gelang zufällig: Die Forscher hatten die Instrumente von XMM-Newton beim Schwenken angelassen.

Schwarzes-Loch-Duo
 
So könnte das jetzt entdeckte Paar aus zwei supermassereichen Schwarzen Löchern aussehen. Bild: ESA - C. Carreau  [Großansicht]

Astronomen vermuten, dass die meisten großen Galaxien im Universum mindestens ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum aufweisen. Zwei Schwarze Löcher in ihrem Inneren gelten als Beweis dafür, dass das Objekt durch die Verschmelzung von zwei Galaxien entstanden ist. Das Aufspüren von Systemen mit jeweils zwei supermassereichen Schwarzen Löchern liefert den Astronomen somit Erkenntnisse darüber, wie die Galaxien im Universum sich zu ihrem heutigen Erscheinungsbild in Ausdehnung und Gestalt entwickelt haben.

Bis heute konnten nur eine Handvoll Kandidaten für Paare von supermassereichen Schwarzen Löchern gefunden werden, die in den Zentren von Galaxien in geringem Abstand umeinander rotieren. Bisher war das ausschließlich in aktiven Galaxienkernen der Fall, in denen die Schwarzen Löcher ständig Gaswolken auseinanderreißen, bevor sie vollständig im Zentralobjekt verschwinden.

Infolge dieses Akkretionsprozesses wird das Gas so weit aufgeheizt, dass es in zahlreichen Wellenlängenbereichen bis hin zur energiereichen Röntgenstrahlung aufleuchtet. Das führt zu einem ungewöhnlich leuchtkräftigen Zentralbereich dieser Galaxien, die man auch als "aktive Galaxien" oder "aktive Galaxienkerne" bezeichnet.

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Jetzt ist es Wissenschaftlern gelungen, erstmals ein Paar von supermassereichen Schwarzen Löchern in einer nicht aktiven Galaxie aufzuspüren. "Es könnte eine ganze Population von nicht aktiven Galaxien geben, die binäre Schwarze Löcher in ihren Zentren aufweisen", vermutet Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die an den Beobachtungen beteiligt war.

Doch der Nachweis ist alles andere als leicht, da in diesen Fällen keine Gaswolken zur regelmäßigen "Fütterung" der Schwarzen Löcher beitragen und die Kernbereiche dieser Galaxien somit dunkel bleiben. Damit bleibt den Astronomen nur eine einzige Hoffnung, diese Schwarzen Löcher nachzuweisen: Sie müssen im richtigen Moment auf die richtige Stelle schauen, und zwar gerade dann, wenn eines dieser Schwarzen Löcher aktiv wird, indem es einen Stern auseinanderreißt, der ihm zu nahe gekommen ist.

Einen solchen Vorgang bezeichnen die Wissenschaftler als "Tidal Disruption Event" (Zerreißen des Sterns durch Gezeitenkräfte) und im Zuge dieses Ereignisses erfolgt ein starker Ausbruch von Röntgenstrahlung. In einer aktiven Galaxie wird das zentrale Schwarze Loch kontinuierlich durch Gaswolken gefüttert. In einer ruhigen Galaxie erfolgt hingegen die Aufnahme von Materie nur sporadisch durch ganze Sterne, die der Zentralquelle zu nahe kommen. Ein solcher Vorgang tritt nur unregelmäßig auf und ist unmöglich vorherzusagen.

Um die Chancen zu erhöhen, ein derartiges Ereignis nun doch aufzuspüren, nutzen die Forscher den Röntgensatelliten XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur ESA auf neuartige Weise. Normalerweise nimmt das Röntgenobservatorium Daten von vorgegebenen Positionen am Himmel auf, und zwar jeweils nur eine pro Zeitintervall. Sobald eine Beobachtung abgeschlossen ist, schwenkt das Teleskop zur nächsten Position.

Der Trick ist nun, dass während der Schwenkbewegung die Instrumente des Röntgensatelliten eingeschaltet bleiben und weiter aufzeichnen. Auf diese Weise wird eine große Anzahl von zufällig verteilten Positionen am Himmel erfasst und diese Daten können in Bezug auf bisher unbekannte oder unerwartete Quellen von Röntgenstrahlung am Himmel analysiert werden. Am 10. Juni 2010 wurde von XMM-Newton ein solches Ereignis in Richtung der Galaxie SDSS J120136.02+300305.5, in rund zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung aufgezeichnet.

Stefanie Komossa und ihre Kollegen hatten die Röntgendaten speziell auf derartige Vorgänge untersucht und waren in der Lage, Nachfolgebeobachtungen der Röntgenstrahlung dieser Galaxie mit XMM-Newton und dem NASA-Satelliten Swift binnen weniger Tage anzusetzen. Von der Galaxie wurde immer noch Röntgenstrahlung abgegeben.

Die Beobachtungen stimmten zunächst voll mit dem erwarteten Erscheinungsbild für das Auseinanderreißen eines Sterns durch ein extrem massereiches Schwarzes Loch überein. Doch dann geschah etwas Überraschendes: Das Röntgensignal fiel zwischen den Tagen 27 und 48 nach der Entdeckung plötzlich unter die Nachweisgrenze. Dann wurde es wieder sichtbar und folgte weiterhin einer erwarteten Abschwächung, als ob nichts geschehen wäre.

Die Forscher glauben jedoch, eine Erklärung für diese Beobachtungen gefunden zu haben: "Es ist genau das, was wir von einem Paar sich umkreisender supermassereicher Schwarzer Löcher erwarten würden", so Fukun Liu von der Peking University in Peking, der Modellrechnungen von Paaren von Schwarzen Löchern durchgeführt hat, die genau vorhersagen, dass die Röntgenstrahlung plötzlich verlischt und wenig später wieder messbar wird.

Der Grund dafür ist, dass die Gravitation von einem der Schwarzen Löcher den Materiefluss auf das andere unterbricht und damit zeitweise die Materialversorgung für den Ausbruch von Röntgenstrahlung aufhebt. Nach seinen Rechnungen gibt es zwei mögliche Konfigurationen, die das beobachtete Verhalten der Röntgenstrahlung von J120136 erklären könnten. In der ersten Konfiguration wird ein Schwarzes Loch von 10 Millionen Sonnenmassen von einem zweiten mit einer Million Sonnenmassen auf einer elliptischen Bahn umkreist. In der zweiten Lösung sind die Massen von beiden Schwarzen Löchern um jeweils einen Faktor 10 geringer, und ihre Bahn ist kreisförmig.

In beiden Fällen weisen die Schwarzen Löcher einen ziemlich geringen Abstand auf: nur 0,6 Milliparsec oder 17 Lichtstunden. Das entspricht gerade mal der Ausdehnung unseres Sonnensystems oder etwa der derzeitigen Entfernung der Raumsonde Voyager 1 von der Erde. Bei diesem geringen Abstand ist das Schicksal des neuentdeckten Paares von Schwarzen Löchern klar vorherbestimmt. Sie werden ihre Umlaufsenergie allmählich abstrahlen und sich so auf einer spiralförmigen Bahn immer weiter annähern, bis sie schließlich in rund zwei Millionen Jahren zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen.

Nach dem Aufspüren des ersten Kandidaten für ein binäres Schwarzes Loch in einer nicht-aktiven Galaxie ist die Suche nach weiteren Ereignissen dieser Art in vollem Gange. Die systematischen XMM-Newton-Beobachtungen während der Schwenks werden fortgesetzt. Und mit dem ersten Erfolg wird auch das Interesse für ein Netzwerk von Röntgenteleskopen zur Suche nach solchen Ereignissen am ganzen Himmel angespornt.

"Mit Tausenden von solchen Ereignissen werden wir in der Lage sein, verlässliche statistische Aussagen darüber abzuleiten, in welcher Rate Galaxien miteinander verschmelzen", erwartet Komossa. Wenn Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, wird die Freisetzung einer gewaltigen Energiemenge erwartet, die überwiegend nicht in elektromagnetischer Strahlung erfolgt. "Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher dürfte die stärkste Quelle für Gravitationswellen im ganzen Universum darstellen", sagt Liu.

"Der innovative Ansatz mit Beobachtungen während der Schwenks von XMM-Newton hat die Entdeckung dieses Systems mit zwei supermassereichen Schwarzen Löchern erst möglich gemacht", freut sich auch Norbert Schartel, der XMM-Newton-Projekt-Wissenschaftler bei der ESA. "Es zeigt die wichtige Rolle von langlebigen Weltraumobservatorien bei der Entdeckung von derart seltenen Ereignissen, die vielleicht einen neuen Forschungsbereich in der Astronomie eröffnen."

Über ihre Beobachtungen und Schlussfolgerungen berichten die Forscher in einem Fachartikel in der Zeitschrift Astrophysical Journal.

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siehe auch
Schwarze Löcher: Gewichtiges Duo im Sternbild Schlange? - 2. Februar 2009
Adaptive Optik: Schwarze Löcher in kollidierenden Galaxien - 22. Mai 2007
Chandra: Zwei Schwarze Löcher vor Verschmelzung - 10. April 2006
Schwarze Löcher: Kollidierende Galaxien wecken Schwarze Löcher - 10. Februar 2005
Chandra: Schwarze Löcher im Doppelpack - 20. November 2002
Schwarze Löcher: "Lazarus"-Team simuliert Kollision - 20. September 2001
Computersimulationen: Wenn Schwarze Löcher kollidieren - 3. September 1999
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
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