Supermassive Schwarze Löcher beim Materieraub in flagranti erwischt

16.10.2013

Astronomen analysieren mit dem weltgrößten Radioteleskop zwei supermassive Schwarze Löcher und fördern dabei Überraschendes zutage

Zwei internationale Wissenschaftlerteams untersuchten mit dem ALMA-Interferometer unabhängig voneinander zwei gigantische Schwarze Löcher und deren Jets. Bei einer Galaxie entdeckten sie in der Nähe des Zentrums eines supermassiven Schwarzen Loches unerwartet einen Materiejet, der wegströmt. Bei der zweiten Observation beobachtete eine andere Forschergruppe in einer sehr weit entfernten Galaxie ein aktives Schwarzes Loch. Dabei sahen sie, wie es aus seiner Umgebung fleißig Materie absaugte und große Mengen davon wieder als Jet ins All abgab. Die Wissenschaftler werten beide Suchläufe als großen Erfolg und Hinweis darauf, dass ALMA in Zukunft noch für weitere Überraschungen sorgen wird.

Bild: ESO/M. Kornmesser

Schwarze Löcher sind heutzutage en vogue und in aller Munde, obwohl sich eigentlich keiner so recht ausmalen kann, was sich hinter, besser gesagt in diesen Objekten genau verbirgt. Fraglos sind diese spukenden unförmigen finsteren Ungestalten allemal gespenstig, nicht zuletzt deshalb, da sie sich mit Vorliebe mit einem schwarzen Gewand umhüllen, sich also in arroganter Manier bewusst vom restlichen Universum abgesondert haben.

Bei alledem neigen Schwarze Löcher fatalerweise ausgerechnet dazu, dem Universum das "Lebenselixier" - sprich Materie und Energie - zu entziehen. Wer oder was in die unmittelbare Nähe eines Schwarzen Loches gelangt, ist für immer verloren. Denn Schwarze Löcher sondern nichts aus - noch nicht einmal Licht. Das letzte, was wir von einem im Loch verschwindenden Teilchen hören, ist sein Todesschrei in Form eines Röntgenblitzes.

Was sind Schwarze Löcher?

Ein Schwarzes Loch entsteht nicht aus dem Nichts. Seine Geburt steht in unmittelbaren Zusammenhang mit dem Tod seines "Muttersterns". Sind alle Energievorräte verbraucht, kann sich kein Stern des Universums seinem Schicksal entziehen. Er stirbt. Allerdings gibt es unterschiedliche Todesarten, die allein durch seine Masse bestimmt werden. Unsere relativ massearme Sonne etwa wird sich erst in fernster Zukunft zu einem Roten Riesen aufblähen, um den Rest seines poststellaren Daseins als Weißer Zwerg zu verbringen. Ohne den nötigen Kernbrennstoff, den sie für die Umwandlung von Wasserstoff in Helium benötigt, kann sie den drohenden Gravitationskollaps nicht länger in Schach halten. Die Schwerkraft gewinnt die Oberhand: Aus dem einstigen Licht- und Wärmespender wird eine sich langsam abkühlende Sternenleiche von einigen tausend Kilometern Durchmesser, in der die Atomkerne dicht an dicht gedrängt werden.

Sterne mit einer noch größeren Masse verdichten sich dagegen nach einer gewaltigen Explosion (Supernova) praktisch zu einem einzigen riesigen Atomkern. Von diesen Neutronensternen (Pulsare) sind mittlerweile eine ganze Reihe bekannt. Man sollte meinen, eine weitere Steigerung sei nicht möglich - und doch gibt es eine: das Schwarze Loch.

Wenn ein Stern mit der mindestens 20-fachen Masse der Sonne kollabiert, erliegt er seiner eigenen Gravitation und durchbricht mit einer unglaublichen Durchschlagskraft sogar das Stadium des Pulsars. Je höher seine Masse ist, desto heftiger wird sein Kollaps. Angetrieben von seiner Schwerkraft fällt der Stern innerhalb einer Zehntausendstelsekunde in sich zusammen und endet unweigerlich in einem Schwarzen Loch. Das neue Leben, das der sterbenden Sonne hierbei eingehaucht wird, hat mit ihrer vorangegangenen Existenz kaum mehr etwas gemeinsam. Wo vorher noch ein Gestirn von Millionen Kilometern Durchmesser strahlte, entsteht mit einem Male ein Gebilde, dessen Radius nur wenige Kilometer oder noch weniger misst. Dabei ist von der ursprünglichen Sternenmasse, die in das Schwarze Loch übergegangen ist, nichts verloren gegangen. Sie ist nur materielos geworden.

"Im astronomischen Sinne sind Jets scharf gebündelte, hochenergetische Teilchenströme, wie sie von bestimmten aktiven Galaxienkernen ausgesandt werden. Sichtbar sind Jets insbesondere, wenn sie riesige Gasgebiete zum Leuchten anregen, sogenannte Radioblasen." Einstein-online. Bild: NASA

Supermassive Schwarze Löcher

Gegenwärtig präsentieren sich Schwarze Löcher in drei grundverschiedenen Hauptgruppen: mal als stellare Schwarze Löcher von nur wenigen Kilometern Durchmesser, die einem Muttergestirn entstammen, das nur einige Male schwerer ist als unsere Sonne; mal als kleinere supermassive (z.B. 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen) oder eben als supermassive Schwarze Löcher mit rund einer Million bis zu einer Milliarde Sonnenmassen.

Unter Astronomen gelten derlei Vertreter gemeinhin als recht langweilig, da sie im Gegensatz zu den aktiveren Quasaren nur sehr wenig Strahlung emittieren. Vorzugsweise nisten sich die supermassiven Vertreter unter ihnen in Galaxienzentren ein, wo sie sich in der Regel auffallend ruhig verhalten. So vereint das Schwarze Loch im Herzen unserer Milchstraße rund 2,6 Millionen Sonnenmassen in sich und glänzt mit Inaktivität.

Alles, was Schwarzen Löchern zu nahe kommt und den Ereignishorizont überschreitet, verschwindet in einem gewaltigen kosmischen Raum-Zeit-Strudel auf Nimmerwiedersehen in eine Singularität - auch Licht, Raum und Zeit. Wenn Schwarze Löcher mithilfe ihrer gigantischen Masse und Anziehungskraft Materie an sich ziehen, sammelt diese sich auf der so genannten Akkretionsscheibe und spiralt von dort Bahn für Bahn - ähnlich einem Wasserstrudel - langsam ins Innere des Zentrums. Während dieses Prozesses emittieren sie Röntgenstrahlen - derart intensiv, dass das lichtschluckende unsichtbare Etwas für einen kurzen Moment aufflackert und "sichtbar" wird. Besonders zum Tragen kommt dieser Effekt bei so genannten Jets, wenn Materie aus supermassiven Schwarzen Löchern strömt.

Supermassive Schwarze Löcher emittieren deshalb so stark und leuchten blendend hell auf, weil sie im Gegensatz zum heutigen Universum in fernster Vergangenheit höchst aktiv waren und die in unmittelbarer Nähe befindliche Materie in gigantische Mengen absorbiert und dabei einen kleinen Teil der Materie in Gestalt von sehr kompakten Jets wieder hinausgeschleudert haben.

Bei ALMA werden vier weitere 12-Meter- und zwölf 7-Meter-Antennen als sogenanntes "kompaktes Netzwerk" eingebunden. Bild: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), R. Hills

 

Genau solche Jets haben zwei internationale Astronomenteams mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in zwei separaten Suchläufen ins Visier genommen und analysiert. Dabei beobachteten, wie die Jets ihre Umgebung beeinflussen. Während ein Team einen Jet aus molekularem Gas um ein relativ erdnahes, inaktives Schwarzes Loch untersuchte, analysierte ein anderes Forscherteam ein weit entferntes Objekt.

Exkurs ALMA

ALMA ist ein Interferometer-Observatorium, das in einem der trockensten Gebiete der Erde in Gefilden operiert, wo bislang nur wenige Observatorien der Welt Wurzeln geschlagen haben. Es thront 5000 Meter über dem Meeresspiegel auf dem Chajnantor-Plateau in der Atacamawüste in den nordchilenischen Anden und ist das zweithöchste bodengestützte Observatorium überhaupt. Nur das einige Kilometer entfernte Tokyo Atacama Observatory (TAO) liegt noch höher (5640 Meter).

Dass ALMA abseits der Zivilisation Fuß gefasst hat, hat einen triftigen Grund. Denn einerseits ist die Luft auf hochgelegenen, trockenen Bergplateaus vergleichsweise recht trocken, was den Empfang von Radiowellen begünstigt. Andererseits weichen die Forscher auf diese Weise dem in den unteren Luftschichten reichhaltig vorhandenen Wasserdampf aus, der die kosmische Radiostrahlung im Millimeter- und Submillimeterbereich mit Vorliebe blockiert. Da ALMA in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums operiert, eignet sich die Teleskop-Anlage bestens für die Observation von Schwarzen Löchern.

Bildkomposition von NGC 1433 (ALMA und Hubble). Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

Das Interferometrie-Projekt wurde durch eine breite internationale Kooperation von Wissenschaftsinstitutionen aus Asien, Europa und Nordamerika möglich. Auf europäischer Seite ist das ESO (European Southern Observatory = Europäische Südsternwarte) bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb federführend. ALMA besteht aus einem Verbund von 66 transportablen Radioteleskopen, die Radiostrahlung im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 9,6 Millimetern auffangen und bündeln. 54 Antennen mit Durchmessern von jeweils zwölf Metern und zwölf Schüsseln mit sieben Metern Durchmesser werden zu einem Interferometer zusammengeschaltet, das dadurch wie eine einzige Riesenantenne funktioniert. Die Positionen der einzelnen Schüsseln lassen sich auf Abstände zwischen 150 Metern und 16 Kilometern variieren.

ALMA erreicht eine enorme Auflösung: Das Interferometer übertrifft die Schärfe der Bilder des Weltraumteleskops Hubble um den Faktor zehn. Das weltgrößte Radioteleskop soll die kältesten Objekte im Universum studieren, vornehmlich weit entfernte und damit uralte Galaxien, Molekülwolken im interstellaren Raum und das elektromagnetische Strahlungsecho des Urknalls - und eben auch supermassive Schwarze Löcher mit bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen, die in den Zentren nahezu aller Galaxien des Universums heimisch sind - wie im Herzen unserer Galaxie.

Zwei Observationen - zwei Papers

Mit solch gigantisch großen Schwarzen Löchern setzen sich nunmehr zwei unabhängig voneinander durchgeführte Studien auseinander, die heute in der Fachpublikation Astronomy & Astrophysics vorgestellt werden. Die Autoren der beiden Paper observierten mit ALMA das relativ erdnahe inaktive Schwarze Loch in der Galaxie NGC 1433 (Sternbild Pendeluhr) und den sehr weit entfernten Quasar PKS 1830-211, hinter dem ein Schwarzes Loch vermutet wird. Die Astronomen förderten dabei Neues zutage:

"ALMA hat eine überraschende Spiralstruktur im molekularen Gas nahe des Zentrums von NGC 1433 sichtbar gemacht", erklärt Françoise Combes vom Observatoire de Paris in Frankreich, die federführende Autorin des ersten Fachbeitrages: "Dies erklärt, wie das Material in das Schwarze Loch fließt und es antreibt. Mit Hilfe der neuen, besonders scharfen ALMA-Beobachtungen haben wir einen Materiejet entdeckt, der vom Schwarzen Loch wegströmt und sich über 150 Lichtjahre erstreckt."

Dabei handele es sich, so Combes, um die kleinste derartige Ausströmung, die jemals in einer anderen Galaxie beobachtet wurde.

Mittels der aktuellen Beobachtungen können Astronomen nachzeichnen, auf welche Weise Jets die Sternentstehung und das Wachstum von Bulges beeinflussen und die Sternentstehung anhalten. Der Prozess der Sternentstehung wird unterbrochen, wenn das Schwarze Loch Gas akkretiert und dabei anwächst. Hierbei entstehen die Jets, die das Gas in der Umgebung heraustreiben.

ALMA-Bild der aktiven Galaxie PKG 1830-211 Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Martí-Vidal

Um zu klären, wie es Schwarzen Löchern überhaupt gelingt, die riesigen energiereichen Materie- und Strahlungsjets auszubilden und wie das Zusammenspiel zwischen Jets und ihrer Umgebung die Entwicklung von Galaxien bestimmt, nahm ein anderes Team unter der Leitung von Ivan Martí-Vidal von der Chalmers University of Technology in Göteburg (Schweden) und dem schwedischen Onsala Space Observatory das supermassereiche Schwarze Loch PKS 1830-211 mit ALMA unter die Lupe.

Prinzip der Gravitationslinse. Bild: Horst Frank. Lizenz: CC-BY-SA-3.0

Hierbei gelang es den Kosmo-Detektiven, den ungefähr 11 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar beim Verspeisen von Materie in flagranti zu erwischen. Ihnen offenbarte sich ein höchst aktives Gebilde, das aus seiner Umgebung fleißig Materie absaugt, große Mengen davon als Jet wieder ins All abstößt und dabei starke Gammastrahlung emittiert. Wie der Koautor des zweiten Fachartikels Sebastien Muller bestätigt, gelang die Beobachtung eher zufällig:

Die ALMA-Beobachtung dieser 'Verdauungsstörung' eines Schwarzen Lochs war ein absoluter Glücksfall. Wir haben PKS 1830-211 aus einem ganz anderen Grund beobachtet und haben dabei leichte Veränderungen in Farbe und Intensität zwischen den beiden Abbildungen der Gravitationslinse bemerkt. (…) Wir haben durch einen sehr glücklichen Zufall unsere Beobachtungen genau zu dem Zeitpunkt durchgeführt, als frische Materie in den Jet-Austritt am Schwarzen Loch eingetreten ist.

Es sei das erste Mal, so Muller, dass man eine derart klare Verbindung zwischen Gammastrahlen und Submillimeterwellen herstellen könne. Möglicherweise stammen diese vom Grund des Jets eines Schwarzen Lochs.

Bestätigt wird das von ALMA eingefangene kosmische Naturschauspiel auch von dem NASA-Weltraumteleskop Fermi, das im Gammastrahlenbereich ein sehr deutliches Signal aufzeichnete. Bild: NASA

Vorerst keine weiteren Observationen

Wenngleich ALMA sich vorerst nicht weiter auf PKS 1830-211 fokussieren wird, sind dennoch weitere Beobachtungen naher und ferner Schwarzer Löcher und deren Jets in Planung. Combes und ihre Gruppe etwa analysieren zurzeit bereits andere erdnahe aktive Galaxien. Auch ALMAs Schüsseln sind nicht mehr auf NGC1433 gerichtet. Wie die an der Beobachtung dieses Objektes beteiligte Astronomin Eva Schinnerer vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg gegenüber Telepolis bestätigt, stehen vorerst keine weiteren Observationen dieses Schwarzen Loches an. Gleichwohl gedenkt das Team, bis zur nächsten Frist (wahrscheinlich Anfang Dezember 2013) einen erneuten Antrag für ähnliche Galaxien wie NGC1433 einzureichen. Summa summarum wertet Schinnerer die ALMA-Ergebnisse als großen Erfolg:

Die Daten dieses ALMA-Pilotprojektes zeigen klar, wie ALMA-Beobachtungen zu signifikanten Fortschritten in unserem Verständnis, wie Schwarze Löcher gefüttert werden, beitragen können.

Ähnlich positiv klingt auch das Fazit von Martí-Vidal: "Unsere Ergebnisse, die noch aus einer Zeit stammen als ALMA noch gar nicht fertiggestellt war, zeigen, dass es ein einzigartig leistungsstarkes Werkzeug für die Untersuchungen dieser Jets ist - und die Entdeckungen fangen gerade erst an!"

Fachbeitrag/Paper:
"ALMA observations of feeding and feedback in nearby Seyfert galaxies: an AGN-driven outflow in NGC1433"

Fachbeitrag/Paper:
"Probing the jet base of the blazar PKS 1830−211 from the chromatic variability of its lensed images"

Sehenswertes Youtube-Doku (16,34 Minuten) über ALMA

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