Schlagwort: Akkretionsscheibe

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Rotationsbeschleunigung eines massereichen Schwarzen Lochs

Das Bild zeigt eine schräg liegende orange beleuchtete Akkretionsscheibe, aus der Mitte strömt ein blau leuchtender Jet.

Illustrations-Credit: Robert Hurt, NASA/JPL-Caltech

Wie schnell kann ein Schwarzes Loch rotieren? Wenn sich ein Objekt aus normaler Materie zu schnell dreht, bricht es auseinander. Doch ein Schwarzes Loch sollte nicht auseinanderbrechen können – und seine maximale Rotationsgeschwindigkeit ist tatsächlich nicht bekannt.

Theoretiker* modellieren schnell rotierende Schwarze Löcher üblicherweise mit der Kerr-Metrik zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese sagt mehrere überraschende und ungewöhnliche Dinge vorher. Die vielleicht am einfachsten nachprüfbare Prognose besagt, dass Materie, die in ein mit maximaler Geschwindigkeit rotierendes Schwarzes Loch fällt, zuletzt sichtbar sein sollte, wenn sie das Schwarze Loch fast mit Lichtgeschwindigkeit umkreist. Das sollte man aus großer Entfernung beobachten können.

Diese Prognose wurde kürzlich mit den Satelliten NuSTAR der NASA und XMM der ESA untersucht. Dafür wurde das sehr massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365 beobachtet.

Die Grenze nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bestätigt, indem man die Aufheizung und die Verbreiterung der Spektrallinien von Kernemissionen nahe dem inneren Rand der Akkretionsscheibe vermaß.

Die künstlerische Darstellung oben zeigt eine Akkretionsscheibe aus normaler Materie, die um ein Schwarzes Loch wirbelt, und einen Strahl, der aus der Oberseite strömt. Materie, die zufällig in das Schwarze Loch fällt, sollte die Rotation eines Schwarzen Lochs nicht so stark beschleunigen. Daher bestätigen die Messungen von NuSTAR und XMM auch die Existenz der umgebenden Akkretionsscheibe.

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GRO J1655-40: Hinweis auf ein rotierendes schwarzes Loch

Ein rot-schwarzer Strudel führt hinab zu einem weißen, hellen Kern, aus dem ein Strahl nach oben strömt.

Credit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Mitten in einem Strudel aus heißem Gas steckt wahrscheinlich ein Ungeheuer, das noch nie direkt gesehen wurde: ein schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichtes, das von dem wirbelnden Gas ausgeht, weisen häufig nicht nur auf ein schwarzes Loch hin, sondern auch auf dessen wahrscheinliche Eigenschaften.

Das Gas zum Beispiel, das GRO J1655-40 umgibt, weist ein ungewöhnliches Flackern mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde auf. Bei einer vorherigen Masse des Zentralobjektes von schätzungsweise sieben Sonnenmassen kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein schwarzes Loch erklärt werden, das sehr schnell rotiert.

Welche physikalischen Wirkmechanismen das Flackern sowie eine langsamere, quasi-periodische Schwingung (QPO) in Akkretionsscheiben schlussendlich verursachen, ist noch nicht bekannt – Schwarze Löcher und Neutronensterne werden weiterhin erforscht.

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Dämmerung vor der Nova

Die Illustration zeigt den Blick aus einer Höhle auf eine dystopische Landschaft mit felsigen Bergspitzen, hinter dem Horizont leuchtet ein helles Objekt, von dem eine Leuchtspur zu einem höher liegenden Objekt mit Akkretionsscheibe führt. Links und rechts von der Leuchtspur sind die beleuchteten Sicheln von Planeten zu sehen.

Illustrationscredit und Bildrechte: Mark A. Garlick (Space-art.co.uk)

Beschreibung: Wird diese Dämmerung eine weitere Nova bringen? Vielleicht denken eines Tages Menschen in der Zukunft, die auf einem Planeten eines eruptiv veränderlichen Doppelsternsystems über solche Ungewissheiten nach.

Bei eruptiv veränderlichen Sternen fällt Gas von einem großen Stern in eine Akkretionsscheibe, die einen massereiche, kompakten weißen Zwergstern umkreist. Explosive veränderliche Ereignisse wie eine Zwergnova finden statt, wenn ein Klumpen Gas im Inneren der Akkretionsscheibe über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Dann fällt der Klumpen schneller auf den weißen Zwerg und landet mit einem hellen Blitz.

Solche Zwergnovae zerstören keinen der beiden Sterne und könnten in unregelmäßig in Zeitabständen von wenigen Tagen bis zu zehn Jahren stattfinden. Eine Nova ist zwar viel energieärmer als eine Supernova – wenn periodische Novae nicht heftig genug sind, um mehr Gas abzustoßen als einfällt, dann sammelt sich die Masse auf dem weißen Zwerg an, bis sie die Chandrasekhar-Grenze überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt würde eine Höhle im Vordergrund wenig Schutz bieten, da der gesamte weiße Zwerg als gewaltige Supernova explodiert.

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Hüllen um den Mikroquasar Cygnus X-1

Die Grafik zeigt einen Mikroquasar, in den Materie fällt. Er ist von einer Akkretionsscheibe umgeben.

Credit und Bildrechte: Steve Cullen (lightbuckets.com)

Beschreibung: Was passiert mit Materie, die in ein aktives Schwarzes Loch fällt? Im Fall von Cygnus X-1 gelangt wahrscheinlich nur ein kleiner Teil dieser Materie hinein. Einfallendes Gas kollidiert nicht nur mit sich selbst, sondern mit einer Akkretionsscheibe aus wirbelnder Materie, die das schwarze Loch umgibt.

Das Ergebnis könnte ein Mikroquasar sein, der im gesamten elektromagnetischen Spektrum leuchtet und mächtige Strahlen erzeugt, die einen Großteil der einfallenden Materie fast mit Lichtgeschwindigkeit in den Kosmos zurückwirft, ehe sie sich dem Ereignishorizont des schwarzen Lochs auch nur nähern kann.

Die Bestätigung, dass die Jets schwarzer Löcher Hüllen erzeugen können, welche sich ausdehnen, erfolgte kürzlich durch die Entdeckung von Hüllen um Cygnus X-1. Rechts oben ist eine solche Hülle abgebildet, die sehr wahrscheinlich durch den Jet des Mikroquasars und Kandidaten für ein schwarzes Loch Cygnus X-1 erzeugt wurde. Wenn Sie den Mauspfeil über das Bild bewegen, sehen Sie eine kommentierte Ansicht. Der physikalische Prozess, der die Jets des Schwarzen Lochs erzeugt, wird weiterhin erforscht.

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Aussicht in der Nähe eines schwarzen Lochs

In einem von roten kreisförmigen Bahnen gebildeten Trichter befindet sich in der Mitte ein weiß leuchtendes Gebilde, von dem ein rauchartiger Strahl aufsteigt.

Illustrationscredit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Im Zentrum eines wirbelnden Strudels heißen Gases sitzt wahrscheinlich eine Bestie, die nie direkt beobachtet wurde: ein schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichts, das von dem wirbelnden Gas ausgestrahlt wird, weisen häufig nicht nur auf das Vorhandensein eines schwarzen Loches hin, sondern auch auf seine wahrscheinlichen Eigenschaften. Das Gas in der Umgebung von GRO J1655-40 weist zum Beispiel ein ungewöhnliches Flackern mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde auf. Angesichts einer früheren Massenabschätzung für das zentrale Objekt von sieben Sonnenmassen kann das schnelle Flackern durch ein schwarzes Loch erklärt werden, das rasend schnell rotiert. Welche physischen Mechanismen das Flackern – und eine langsamere quasi-periodische Schwingung – in Akkretionsscheiben, welche schwarze Löcher und Neutronensterne umgeben, verursachen, bleibt Gegenstand umfangreicher Forschungen.

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Cygnus X-1

Links im Bild leuchtet ein heller bläulicher Stern mit ausgefranstem Rand, von diesem verläuft ein Materiestrom nach rechts zu einer rot-orangefarbenen Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch.

Credit und Bildrechte: ESA, Hubble

Beschreibung: Ist das ein Schwarzes Loch? Gut möglich. Das Doppelsternsystem Cygnus X-1 enthält einen der besten Kandidaten für ein solch exotisches Objekt. Es ist eine der hellsten Röntgenquellen am Himmel und wurde daher schon früh entdeckt, als die ersten Röntgenteleskope den Himmel nach dieser Strahlung absuchten. Der Name sagt es: Cygnus X-1 ist die hellste Röntgenquelle im Sternbild Schwan (Cygnus). Die Beobachtungsdaten lassen auf ein massives Objekt mit dem Neunfachen der Sonnenmasse schließen, das seine Helligkeit kontinuierlich auf verschiedensten Zeitskalen ändert, bis hinunter in den Millisekundenbereich. Damit kann es sich eigentlich nur um ein Schwarzes Loch handeln – kein anderes Modell vermag diese Daten zu erklären. Das Bild zeigt eine künstlerische Darstellung des Cygnus X-1-Systems. Links erkennt man den Stern HDE 226868, dessen Masse etwa das 30fache der Masse unserer Sonne entspricht. Die Röntgenquelle ist auf der rechten Seite dargestellt. Sie ist mit dem Riesenstern über eine Materiebrücke verbunden, über die Masse vom Stern in eine Akkretionsscheibe überströmt, die das Schwarze Loch umgibt. Der Stern des Systems ist schon mit einem kleinen Teleskop zu sehen. Seltsamerweise scheint Cygnus X-1 ohne eine vorangegangene Supernovaexplosion entstanden zu sein.

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