HUBBLE
Blick auf die Scheibe um ein Schwarzes Loch
von Stefan Deiters
astronews.com
4. November 2011

Mithilfe des Gravitationslinseneffekts und des Weltraumteleskops Hubble ist es Astronomen gelungen, die Scheibe aus Gas und Staub um ein entferntes supermassereiches Schwarzes Loch direkt zu beobachten. Sie konnten mit einem neuen Verfahren nicht nur die Größe der Scheibe bestimmen, sondern auch die Temperaturverteilung darin messen.

Zwei Bilder des untersuchten Quasars HE 1104-1805 und die Galaxie [WKK93] G im Vordergrund (erkennbar als schwach leuchtende Struktur um die beiden Quasarbilder), die für den Gravitationslinseneffekt verantwortlich ist. Bild: NASA, ESA und J.A. Muñoz (Universität von Valencia)  [Großansicht]

Das Weltraumteleskop Hubble zählt zu den leistungsfähigsten Teleskopen der Welt, doch ohne "extragalaktische Hilfe" wären auch mit Hubble die jetzt von einem internationalen Astronomenteam vorgestellten Beobachtungen nicht möglich gewesen. Unter Ausnutzung des Gravitationslinseneffekts ist es den Wissenschaftlern nämlich gelungen, die helle Scheibe aus Gas und Staub direkt zu beobachten, die um ein entferntes supermassereiches Schwarzes Loch kreist, das sich im Zentrum eines Quasars befindet. In dieser sogenannten Akkretionsscheibe sammelt sich das Material bevor es schließlich in dem Schwarzen Loch verschwindet. Den Astronomen gelang es die Ausdehnung der Scheibe zu bestimmen und auch die Farbe - und damit die Temperatur - in verschiedenen Bereichen der Scheibe zu messen.

Quasare gehören mit zu den hellsten Objekten im Universum und können daher auch noch über enorme Entfernungen gesehen werden. Ihre große Helligkeit verdanken die Objekte aber einem im Grunde genommen unsichtbaren Phänomen, nämlich einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum. Dieses ist äußerst aktiv, verschlingt also gerade große Mengen an Material, das sich zuvor in einer Scheibe um die Schwerkraftfalle sammelt. Dabei heizt sich das Material so stark auf, dass es eine sehr intensive Strahlung aussendet. Die Scheibe wird dabei so hell, dass sie die umgebende Galaxie vollkommen überstrahlt und oft nichts weiter als ein heller Punkt zu sehen ist. Deswegen bekamen diese Objekte auch den Namen "quasistellare Objekte", kurz Quasare.

"Die Akkretionsscheibe eines Quasars hat typischerweise eine Größe von einigen Lichttagen, also einen Durchmesser von etwa 100 Milliarden Kilometern", erklärt Jose Muñoz von der Universität in Valencia, der die Untersuchung leitete. "Aber sie sind halt auch Milliarden von Lichtjahren entfernt und deswegen von der Erde aus betrachtet so winzig, dass es wohl nie ein Teleskop geben dürfte, das leistungsfähig genug ist, um ihre Struktur direkt sehen zu können." Deswegen musste man sich bei Angaben zu Größe und Struktur von Quasaren bislang auch hauptsächlich auf theoretische Modelle verlassen.

Für ihre Untersuchung bediente sich das Team nun eines neuen Verfahrens: Es hat Sterne in einer anderen Galaxie genutzt, um - wie mit einer Lupe - bestimmte Strukturen der Scheibe zu vergrößern und genauer zu untersuchen. Das Verfahren beruht auf dem schon bekannten Gravitationslinseneffekt: Das Licht eines entfernten Objektes wird durch ein massereiches Objekt auf der Sichtlinie zwischen uns und dem entfernten Objekt abgelenkt, so dass oft mehrere und auch vergrößerte Bilder des entfernten Objekts entstehen.

Die Astronomen hatten zuvor eine Reihe von entfernten Quasaren beobachtet, deren Licht auf dem Weg zu uns zufällig eine nahegelegenere  Galaxie passiert. Diese lenkt das Licht durch ihre Masse so ab, dass jeweils mehrere Bilder der Quasare entstehen. Beim Vergleich dieser Bilder fielen den Wissenschaftlern winzige Farbunterschiede zwischen den Bildern und auch Farbänderungen im Verlauf der Beobachtungen auf. Ein Teil dieser Farbänderungen erklärt sich durch Staub in den als Linsen dienenden Galaxien und verrät somit etwas über das Material in den Systemen.

Bei einem der untersuchten Quasare aber gab es eindeutige Hinweise darauf, dass Sterne in der Linsengalaxie exakt den Weg des Lichts vom fernen Quasar zu uns durchlaufen. Genauso wie die gesamte Galaxie das Licht des Quasars abgelenkt und verstärkt hat, haben auch die Sterne in der Linsengalaxie nun das Licht aus verschiedenen Teilen der Akkrektionsscheibe um das zentrale Schwarze Loch des Quasars abgelenkt und verstärkt als sie durch die Sichtlinie zum Quasar gewandert sind.

Durch die Aufzeichnung der beobachteten Farbvariationen konnte das Team ein Farbprofil der Akkretionsscheibe erstellen. Das ist ein entscheidender Hinweis auf die Struktur der Scheibe, da man erwartet, dass die Temperatur mit geringerer Entfernung zum Schwarzen Loch zunimmt. Die Strahlung der Scheibe sollte sich damit immer weiter in den blauen Bereich des Spektrums verschieben. So ließ sich auch der Durchmesser der Scheibe aus heißem Material rund um das Schwarze Loch bestimmen sowie die Temperatur in verschiedenen Entfernungen vom Zentrum.

Die Forscher stellten auf diese Weise fest, dass die Scheiben einen Durchmesser zwischen vier und elf Lichttagen haben muss (entsprechend etwa 100 bis 300 Milliarden Kilometer). Dies ist zwar noch ein relativ ungenauer Wert, doch angesichts der Größe des vermessenen Objektes und der Entfernung ein beachtliches Ergebnis. Das Team hofft zudem, in Zukunft mit diesem Verfahren noch genauere Messungen machen zu können.

"Unsere Resultate sind deswegen von Bedeutung, da sie zeigen, dass wir nun in der Lage sind, Beobachtungsdaten über die Struktur dieser Systeme zu bekommen und uns nicht mehr allein auf die Theorie verlassen müssen", so Muñoz. "Die physikalischen Eigenschaften von Quasaren sind noch nicht besonders gut verstanden. Diese neuen Beobachtungsmöglichkeiten öffnen daher ein neues Fenster zum besseren Verständnis der Natur dieser Objekte."