Die Vielfalt der Schwarzen Löcher

03.08.2012

Neue Forschungsergebnisse verraten, wie sich Schwarze Löcher in Größe und Entstehungsprozess unterscheiden können

Ein Schwarzes Loch müsste eigentlich ein sehr einfaches astronomisches Objekt sein: Ein simpler Brocken Materie im Weltall, der durch seine riesige Masse kein Fitzelchen Information seiner Anziehungskraft entfliehen lässt. Entstanden ist das Konzept, als sich die Kosmologen Gedanken über das Vergehen der Sterne machten. Was passiert, wenn eine Riesensonne kollabiert?

Ist ein Stern mindestens dreimal so schwer wie unsere Sonne, steht ihm meist ein spektakuläres Ende bevor. Ihm gelingt es, in verschiedenen Schalen in seinem Inneren alle Elemente bis hin zum Eisen als Brennstoff zu verwenden, bis sein nur 10.000 Kilometer durchmessender Kern nur noch aus Eisen und schwereren Elementen besteht. Ab einer bestimmten Massegrenze kann die im Kern zusammengepresste Materie der eigenen Gravitation nicht mehr widerstehen und kollabiert, während in einer gigantischen Explosion die Hülle als Supernova abgestoßen wird.

Bei weniger als neun Sonnenmassen ist ein Neutronenstern das Ergebnis, ein sehr kompaktes Objekt mit einem Durchmesser im zweistelligen Kilometerbereich. Ist der Ausgangsstern allerdings schwerer, können auch die Neutronen der Gravitation nicht mehr genug entgegensetzen, und es formiert sich ein Schwarzes Loch. Dessen Anziehungskraft ist so groß, dass ihr nicht einmal Licht entkommen kann - was einmal hinter dem so genannten Ereignishorizont verschwindet, kommt nie wieder ans Tageslicht.

Im Kern der Spiralgalaxie NGC 1097 vermuten Forscher ein 100 Millionen Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch. Bild: NASA/JPL-Caltech

Dieser Bereich hätte bei einem Schwarzen Loch mit der Masse der Sonne einen Radius von einigen Kilometern. Wegen der Rotation der meisten Schwarzen Löchern ist er jedoch selten kugelförmig, sondern hat die Form eines Rotationsellipsoids (ein Körper, aufgespannt aus einer rotierenden Ellipse). Beschreiben lässt sich so ein Schwarzes Loch im Grunde wie ein gigantisches Elementarteilchen mit den drei Größen Masse, Spin und Ladung. Forscher schätzen, dass allein die Milchstraße von 100 Millionen solcher stellarer Schwarzen Löcher bevölkert wird.

Die zweite Klasse Schwarzer Löcher, von deren Existenz sich Astronomen bereits zu überzeugen vermochten, residiert normalerweise in den Zentren von Galaxien. Man nimmt an, dass diese supermassiven Schwarzen Löcher (mit etwa einer Million bis einer Milliarde Sonnenmassen) sich zum einen an Materie aus der Galaxis groß gefressen haben, zum anderen aber auch bei Galaxien-Verschmelzungen ihre heutige Masse erreicht haben.

Drei Wege

Auch im Kern der Milchstraße vermutet man mit Sagittarius A* ein solches riesiges Schwarzes Loch. Es ist ungefähr so schwer wie vier Millionen Sonnen - diese Masse konzentriert sich auf eine Kugel mit 44 Millionen Kilometer Durchmesser. Im Sonnensystem würde dieses Schwarze Loch bis halb an den innersten Planeten Merkur heranreichen.

Was die Wissenschaft über die Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher heute weiß, fasst ein Beitrag in Science jetzt sehr gut zusammen. Demnach sind im Grunde drei Wege möglich - alle spielten sich in der Frühzeit des Universums ab, als gerade die ersten Sterne entstanden. Ausgangspunkt ist jeweils eine riesige Gaswolke primär aus Wasserstoff und Helium, die ein Halo aus Dunkler Materie besitzt. Diese Wolke kann sich zum ersten allmählich zu einem einzelnen, riesigen Stern verdichten - womöglich entstand nur ein Stern pro Galaxis.

Ist der Stern schwerer als 300 Sonnenmassen, kollabiert er in relativ kurzer Zeit zu einem Schwarzen Loch von 200 Sonnenmassen. Der zweite Prozess geht von einer instabilen Gaswolke aus, die im Zentrum der Galaxis einen superschweren Stern formt. Dessen Kern kollabiert zu einem (kleinen) Schwarzen Loch und schluckt anschließend den Rest der Hülle, wodurch er auf einige Millionen Sonnenmassen anwächst. Beim dritten Weg formt die instabile Gaswolke zunächst einen dicht gedrängten Sternhaufen, dessen Bestandteile zu einem Riesenstern verschmelzen. Dieser wiederum schrumpft später zu einem Schwarzen Loch mit etwa 1000 Sonnenmassen.

Schwarze Löcher in Zwischengrößen

Was den Astronomen in ihrer Liste nun noch fehlt, sind Schwarze Löcher in Zwischengrößen. Sollte es nur Riesen und normal große Exemplare geben? Das scheint unlogisch. Trotzdem wurden bisher keine Kandidaten mit 100 bis 10.000 Sonnenmassen beobachtet. Immerhin liefert nun ein Science-Paper erste Hinweise: Darin berichten Astronomen von der Beobachtung der Röntgenquelle ESO 243-49 HLX-1. Das Objekt hat nämlich eine ungewöhnliche Änderung seiner Aktivität gezeigt, die die Forscher auf das Ausstoßen eines so genannten Jets, eines sehr schnellen Plasma-Stroms, zurückführen. Jets entstehen, wenn Schwarze Löcher Masse aus ihrer Umgebung aufnehmen, sie kommen also nicht aus dem Inneren des Objekts (was nach seiner Natur unmöglich wäre).

Mit welcher Energie sie von dem Schwarzen Loch fortgeschleudert werden, hängt von dessen Masse ab. Aus den Eigenschaften des Jets lässt sich also auf die Masse des Schwarzen Lochs schließen. Demnach müsste das HLX-1 zugrunde liegende Objekt eine Masse von unter 10.000 Sonnenmassen besitzen, HLX-1 wäre demnach das erste beobachtete Schwarze Loch mittlerer Masse.

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