Sterne, die dort eigentlich nicht sein sollten

Weniger als ein Lichtjahr entfernt von dem Schwarzen Loch Sgr A* im Milchstraßenzentrum haben sich bis zu 100 massive junge Sterne eingenistet

Schwarze Löcher werden aus sterbenden, massereichen Sternen geboren und zählen zu den spektakulärsten Objekten im Universum, absorbieren sie doch wie keine anderen jegliche Form von Materie und Energie. Alles, was ihnen zu nahe kommt und den Ereignishorizont überschreitet, verschwindet auf Nimmerwiedersehen in einem gewaltigen kosmischen Raum-Zeit-Strudel in eine Singularität – auch Licht. Dass in knapp einem Lichtjahr Entfernung des supermassiven Schwarzen Loches im Milchstraßenzentrum dennoch massive junge Sterne entstehen konnten, passt nicht in das gängige astrophysikalische Modell. Wie die Sterne dort hinkamen, war den Forschern bislang völlig schleierhaft. Dank des Röntgensatelliten Chandra haben sich jetzt immerhin zwei Theoriemodelle herauskristallisiert, die das ungewöhnliche Phänomen erklären. Dabei scheint das Disk-Modell der Favorit zu sein.

Schwarze Löcher präsentieren sich in drei grundverschiedenen Gruppen: Einerseits als stellare Schwarze Löcher von nur wenigen Kilometer Durchmesser, die einem Muttergestirn entstammen, das nur einige Male schwerer ist als unsere Sonne. Dann zeigen sie sich als kleinere supermassive (z.B. 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen) oder in der dritten Variante eben ganz klassisch als supermassive Variante mit rund einer Million bis zu einer Milliarde Sonnenmassen als Quelle intensivster Strahlung, die im Zentrum vieler Galaxien heimisch geworden sind, von denen aber kein Astronom so recht weiß, wie sie dort hingekommen respektive entstanden sind. Hierzu zählt auch das Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum unserer Galaxis, das gut 26.000 Lichtjahre von der Sonne entfernt ist und zirka 2,6 Millionen Sonnenmassen aufweist.

Genau wie seine Kollegen, die sich in fast allen anderen galaktischen Zentren tummeln, verschlingt Sgr A* durch seine ungeheure Schwerkraft Gas, Staub und sogar ganze Sterne so schnell, dass die einfallende Materie sich auf Millionen von Grad (Celsius) aufheizt und daher im ganzen Spektrum, auch im sichtbaren Bereich, hell leuchtet.

Infrarot-Blick ins Zentrum der Milchstraße. Die beiden kleinen gelben Pfeile in der Bildmitte markieren den Ort des vermeintlichen Schwarzen Lochs SgrA*. (Bild: European Southern Observatory/ Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik)

Umso bemerkenswerter ist es, dass sich in unmittelbarer Nähe zu Sagittarius A* ein Sternentstehungsgebiet etablieren konnte, über dessen Herkunft sich Astronomen seit geraumer Zeit den Kopf zerbrechen. Erste Hinweise auf die Existenz von massiven Sternen in direkter Nachbarschaft zu Sgr A* fanden die Forscher mit diversen Infrarotteleskopen bereits vor wenigen Jahren. Seither fokussiert sich alles auf eine Frage: Wie konnten diese fernen Sonnen ausgerechnet in der turbulentsten Region der Milchstraße entstehen?

Der Antwort auf diese Frage sind jetzt Wissenschaftler mit dem Röntgenteleskop Chandra etwas näher gekommen. Da im Zentrum der Galaxis Gas- und Staubwolken en masse vorhanden sind, fokussierten sich die Forscher auf die aus dem Milchstraßenzentrum emittierte starke Röntgen- und Infrarotstrahlung. Im Rahmen einer 164-stündigen Observation, die im September 1999 und Juni 2002 durchgeführt wurde, konnten sie dank der Sensibilität des ACIS-Instruments des NASA-Weltraumobservatoriums nachweisen, dass das Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße von einer Gruppe massereicher Sterne umkreist wird. Hierbei handelt es sich um 50 bis 100 junge massereiche Sterne, die das Schwarze Loch in einer Distanz von weniger als einem Lichtjahr umkreisen. Extrem nah, aber weit genug weg, um nicht Gefahr zu laufen, von dem Schwarzen Loch eingefangen zu werden. Schon in fünf Millionen Jahren könnten die jungen Sterne, die bis zu 100 Sonnenmassen haben und 100.000-mal so stark wie unsere Sonne strahlen, als Supernovae enden.

Aus dem Vergleich mit dem Orionnebel, in dem Tausende junge Sterne eingebettet sind, konnten die Forscher extrapolieren, dass im Sternhaufen um Sgr A* noch 10.000 weitere, gleichwohl massearme Sterne beheimatet sind. Die aktuellen Daten sprechen eindeutig dafür, dass diese Sterne nicht von außen in die Nachbarschaft des Schwarzen Lochs gewandert sein können, sondern vor Ort entstanden sein müssen.

Chandra-Aufnahme des Zentrums unserer Milchstraße. Bei Sgr A* (gelber Pfeil links) handelt es sich um das zentrale supermassereiche Schwarze Loch. (Bild: Credit: X-ray: NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Die geringe Anzahl sonnenähnlicher Sterne bei Sgr A* beweist nach Ansicht der Wissenschaftler, dass die Sterne dort, in einer gewaltigen Gasscheibe um das Schwarze Loch, entstanden sein müssen. “Wir können nun davon ausgehen, dass die Sterne um Sgr A* nicht von einigen vorbeiziehenden Sternhaufen stammen, sondern wohl eher dort geboren wurden”, sagt der Co-Autor der Studie, Rashid Sunyaev vom Max Plank Institut für Physik in Garching bei München. Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxis begünstigt sogar den Entstehungsprozess von massiven Sternen. "Supermassive Schwarze Löcher stehen für gewöhnlich für Gewalttätigkeit und Zerstörung", so Sergei Nayakshin von der University of Leicester in Großbritannien, der die Untersuchung leitete. "Umso bemerkenswerter ist es, dass dieses Schwarze Loch bei der Entstehung neuer Sterne geholfen hat, statt sie lediglich zu vernichten."

Bisher ging die Astrophysik davon aus, dass die enorm hohe Geschwindigkeit, mit der sich Materie in der Nähe des galaktischen Schwarzen Loches bewegt, den Prozess der Sternentstehung außerordentlich behindert. Streng genommen sollte die enorme Schwerkraft des Schwarzen Loches jegliche Gaswolken auseinander reißen und ergo eine Sternentstehung (Kondensation) unmöglich machen. Jetzt sieht es danach aus, als müsse dieser Ansatz ad acta gelegt werden. Denn entweder begünstigt die immense Scheibe aus Gas (die das Schwarze Loch umkreist) das Entstehen neuer Sterne (Disk-Modell) – oder die Gasscheibe dient als eine Art Kinderhort für verlorene Sterne (Migrations-Modell).

Gemäß dem Disk-Modell sorgt die Gravitation innerhalb der dichten Scheibe aus Gas (die Sagittarius A* umkreist) dafür, dass die Anziehungskraft von dem Schwarzen Loch aufgehoben wird und sich somit Sterne bilden können. Das Szenario könnte dabei wie folgt aussehen: Schießt hochintensive Strahlung in Gestalt von so genannten High-Speed-Jets aus dem Schwarzen Loch heraus, entsteht eine supersonische, also überschallschnelle Schockwelle. Diese fließt dann durch die Gaswolke, erhitzt und verdichtet dort das Gas und ionisiert es. Nachdem die Schockwelle vorübergezogen ist, zieht sich die Gaswolke zusammen. Zeitgleich setzen sich die Ionen neu zusammen.

Das NASA-Röntgenweltraumteleskop Chandra (Bild: CXC/NGST/NASA)

Die dabei entstehende Strahlung transportiert dann die Energie aus der Gaswolke. Dadurch kühlt die Gaswolke ab. Die Folge: Sie zieht sich noch weiter zusammen. Wird die Gasansammlung dicht genug, kollabiert diese – ein Stern entsteht. Laut Nayakshin und Sunyaev sprechen die aktuellen Beobachtungen tatsächlich für die Annahme, dass die Schwerkraft der dichten Gasscheibe um Sgr A* diesen Effekt bewirkt, so dass reichlich Zeit für die Sternentstehung bleibt. “Es hat Theorien gegeben, denen zufolge dies möglich gewesen wäre, aber dieses Mal haben wir erstmals einen echten Beweis“, erläutert Nayakshin. „Viele Wissenschaftler werden von unseren Resultaten überrascht sein.“

Das Migrations-Erklärungsmodell hingegen geht davon aus, dass die Sterne in größerer Entfernung von dem Schwarzen Loch entstanden sind und sich im Laufe der Zeit an das Schwerkraftmonster angenähert haben. Sollte dies so gewesen sein, dann müsste es jedoch in der näheren Umgebung des Schwarzen Loches nicht nur massereiche, sondern auch eine größere Zahl normaler sonnenähnlicher Sterne geben, da solche in Sternentstehungsregionen häufiger entstehen. Gemäß dem Migrations-Modell müssten im galaktischen Zentrum rund eine Million solcher Sterne vorkommen. Aufspüren konnte Chandra gleichwohl nur etwa 10.000 so genannte normale Sterne, was also gegen das Migrations-Modell spricht.

Der große Bruder der Milchstraße: der Andromedanebel (NGC 224). Es liegt in der Natur der Sache, dass noch kein von „außen“ geschossenes Portrait der Milchstraße existiert – zumindest keines von „irdischen“ Zeitgenossen. (Bild: NASA/Jason Ware)

Aufgrund der eindeutigen Datenlage gehen Nayakshin und Sunyaev nunmehr davon aus, dass auch in den Zentren anderer Galaxien, in denen Schwarze Löcher vermutet werden (teils sogar indirekt nachgewiesen wurden), derlei Sternhaufen existieren, die gemäß dem Disk-Modell und dank der werten Mithilfe supermassiver Schwarzer Löcher generiert wurden.

Nähere Details zu der Untersuchung stellen die Astronomen in der nächsten Ausgabe der "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" vor. Diese NASA-Animationen zu Sgr A* sind sehenswert. (Harald Zaun)

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