Strahlender Mini-Quasar

Astronomen analysierten Mikroquasar, der starke Gammastrahlen emittiert

Schwarze Löcher sind bekanntlich extrem kompakte Gebilde, die sich aus sterbenden Sternen generieren und ihren Hunger stillen, indem sie jegliche Form von Materie und Energie gierig absorbieren. Im All tummeln sich diese Schwerkraftfallen in allen Größenklassen. Während sich die größten unter ihnen als supermassive Schwarze Löcher in Gestalt von Quasaren die Ehre geben, warten die kleineren manchmal als Mikroquasare auf. Einen solchen hat jüngst ein internationales Astronomenteam mit dem Gammastrahlen-Teleskop MAGIC untersucht und dabei festgestellt, dass das anvisierte kompakte Gebilde periodisch strahlt – sehr intensiv.

Als der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler ihnen im Jahr 1967 den signifikanten Namen "Black Holes" (Schwarze Löcher) gab, rätselten die damaligen Astrophysiker noch darüber, ob diese mysteriösen Naturphänomene, in deren Zentren Raum und Zeit angeblich das Zeitliche segnen, überhaupt real sein könnten. Doch was bereits schon der englische Geologe und Physiker John Mitchell (1724-1793) im Jahr 1783 erstmals andachte und worüber seine Nachfolger lange Zeit nur spekulieren konnten, ist heutzutage in der Astrophysik längst kein hypothetisches Phantasieprodukt mehr.

Hubble-Bild (im optischen Licht) und Chandra-Foto (Röntgenbereich) von zwei supermassiven Schwarzen Löchern im Herzen der Galaxie NGC 6240. Sie werden in einigen hundert Millionen Jahren miteinander verschmelzen. Bild: Optical: R.P.van der Marel & J.Gerssen (STScI), NASA; X-ray: S.Komossa & G.Hasinger (MPE) et al., CXC, NASA

Obwohl Schwarze Löcher, die aus massereichen sterbenden Sternen geboren werden und im Verlaufe ihres Daseins jegliche Form von Materie und Energie aufsaugen, Röntgen-, Gamma- und Infrarotstrahlung emittieren oder aufgrund ihrer starken Gravitation die Raumzeit verzerren, ist sich das Gros der Astronomen sicher, dass diese unsichtbaren kosmischen Einbahnstraßen, die im Universum in allen Größenklassen vorkommen, dort beileibe keine Seltenheit sind.

Galaxie NGC 4319 und ein Quasar (rechts oben auf dem Bild). Bild: R. Knacke (Penn State Erie) et al., Hubble Heritage Team, NASA

Drei- bis dreißigfache Sonnenmasse

Als besonderer Vertreter dieser bizarren Vagabunden im All haben sich so genannte Mikroquasare inzwischen einen Namen gemacht. Derlei kosmische Gebilde sind in astronomischen Fachbüchern aufgrund ihrer beobachteten Eigenschaften als Miniaturausgaben von Quasaren verzeichnet. Während sich hinter waschechten Quasaren supermassive Schwarze Löcher mit der millionen- bis milliardenfache Masse der Sonne verstecken, sind Mikroquasare – nomen est omen – im Vergleich dazu extrem kleine Schwarze Löcher. Sie haben gerade einmal die 3- bis 30fache Sonnenmasse. Andererseits können Mikroquasare theoretisch auch Neutronensterne mit nur wenigen Sonnenmassen sein, die eine „normale“ Sonne in einem sehr engen Orbit umkreisen. Ergo können sich Astronomen während des Studiums eines Mikroquasars oftmals nicht sicher sein, ob sie denn nun einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch vor der Linse haben.

Mikroquasare sind vorzugsweise in Binärsystemen zuhause. Prinzipiell begleiten sie in Gestalt eines Schwarzen Loches oder Neutronensterns einen in punkto Masse durchschnittlichen Stern – in einem sehr engen Orbit. Durch das extreme Schwerkraftfeld dieses Objekts wird Materie von dem Begleitstern abgesaugt und fällt in spiralförmigen Bahnen auf den kompakten Kern. Dabei ist der Materiefluss bisweilen so groß, dass der kompakte Kern das Material als energiereichen bipolaren Jet wieder ausstößt. Dieser bewegt sich fast mit Lichtgeschwindigkeit, so wie dies in Aktiven Galaxien, sprich „echten“ Quasaren, gang und gäbe ist.

Jets, ob groß oder klein, zählen immer noch zu den großen kosmischen Mysterien. Wie es genau dazu kommt, dass Teile der von den Mikroquasaren absorbierten Materie über deren Pole in eng gebündelten Plasmastrahlen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit ins All geschossen werden, ist bis dato völlig schleierhaft. Gewiss ist nur, dass bei diesem Vorgang enorm viel Radio- und Gammastrahlung ausgestrahlt wird.

Mikroquasare nahe der Erde

Für Astronomen besteht der entscheidende Unterschied dieser Objekte nicht allein in deren Größe. Vielmehr ist es die räumliche Nähe zur Erde, die Mikroquasare so interessant macht. Während nämlich die supermassiven Quasare Milliarden von Lichtjahren entfernt am Rande des Universums vor sich hin vegetieren, verstecken sich deren Miniaturausgaben, zumindest einige Vertreter davon, praktisch vor unserer astronomischen Haustür und sind somit einfacher und genauer zu beobachten.

Auch wenn die Wissenschaftler bislang nur 20 Mini-Quasare lokalisieren konnten, so hoffen sie dennoch, mithilfe dieser mysteriösen Himmelskörper wertvolle Rückschlüsse auf deren große Vorbilder am Rande des Kosmos zu gewinnen.

Mikroquasar. Bild: ESA/Hubble

Dabei richtet sich deren Aufmerksamkeit primär auf die energiereichen Jets, welche beide Quasar-Typen auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlicher Frequenz emittieren. Denn während ein Quasar-Jet sich für einen Beobachter in einen Zeitraum von mehreren 100 Jahren kaum ändert, schwankt die Strahlung eines Mikroquasars im Verlauf von Tagen. Dank solcher kurzen Perioden können Astronomen die verschiedenen Stadien von Mini-Quasaren gezielt analysieren.

Genau dies tat ein internationales Astronomenteam, dem mehr als 130 Forscher aus neun verschiedenen Staaten angehören, mit dem MAGIC-Teleskop (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) in den Wochen zwischen Oktober 2005 und März 2006. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Science-Online-Ausgabe „ScienceExpress“ berichten, observierten sie in diesem Zeitraum den Mikroquasar LS I +61 303.

Dieses kompakte Gebilde, das ein Schwarzes Loch oder auch ein Neutronenstern sein könnte, umrundet einen sonnenähnlichen (durchschnittlichen) Stern in einem sehr engen Orbit. Dabei emittiert LS I +61 303 über seine Jets extrem hochenergiereiche Gammastrahlung, deren Intensität im Verlauf eines Umlaufs schwankt. Während des 26-tägigen Umlaufs um den Stern kommt es unentwegt zur Bildung von Jets, bei denen die Strahlung zwar nur leicht variiert, aber immerhin einmal pro Orbit einen deutlichen Höchstwert erreicht. Laut Theorie wäre dieser Wert immer dann am höchsten gewesen, wenn der Begleitstern den geringsten Abstand zum Neutronenstern gehabt hätte. Da dies jedoch nicht der Fall war, glauben die Wissenschaftler, dass die Plasmaströme letzten Endes die Folge der Wechselwirkung zwischen den beiden Sternen sind. Um die Gammastrahlung punktgenau zu lokalisieren, fokussierte sich MAGIC übrigens nicht auf die Gammastrahlen selbst, sondern auf kurze Lichtblitze. Solche bilden sich, wenn Gammastrahlen auf die Erdatmosphäre treffen.

MAGIC ist mit einem Spiegeldurchmesser von 17 Metern das derzeit weltweit größte Gammastrahlen-Teleskop. Es ist seit Oktober 2003 auf dem Roque de los Muchachos, dem höchsten Berg der spanischen Insel La Palma, in 2225 Metern Höhe in Betrieb.

Gammastrahlen, die von der irdischen Atmosphäre vollständig absorbiert werden, treffen aus vielen Bereichen des Universums bei uns ein. Sie sind sehr kurzwellige und extrem energiereiche elektromagnetische Strahlen. Sie entstehen, wenn ein angeregter Atomkern in einen stabileren Zustand übergeht oder bilden sich (auf der Erde) beim Zerfall radioaktiver Stoffe respektive bei der Paarvernichtung. Obwohl diese gewaltigen Explosionen nicht vorhersehbar sind, und obgleich deren genauer Ursprung unklar ist, erhalten die Sternforscher doch dank deren Existenz wertvolle Informationen über Neutronensterne, Schwarze Löcher, Super- oder Hyper-Novae sowie Quasare und eben auch Nachrichten von Mikroquasaren. (Harald Zaun)

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