Schlagwort: Schwarzes Loch

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Viele Singularitäten im Galaktischen Zentrum

Ein lila Nebel mit heller Mitte schimmert vor dunklem Grund. Viele kleine Lichtquellen sind mit roten und gelben Kreisen markiert. Die roten Kreise zeigen Doppelsysteme mit einem Schwarzen Loch. In der Mitte ist das Zentrum der Milchstraße, es ist mit Sgr A* beschriftet.

Bildcredit: NASA/CXC / Columbia Univ./ C. Hailey et al.

Kürzlich ergab eine informelle Studie, dass Astronomys noch keinen guten Sammelbegriff für Gruppen Schwarzer Löcher haben. Doch wir brauchen einen.

Das Bild stammt vom Röntgenteleskop Chandra. Die roten Kreise markieren eine Gruppe aus einem Dutzend Schwarzer Löcher in Doppelsternsystemen. Sie besitzen etwa 5 bis 30 Sonnenmassen und schwärmen ungefähr 3 Lichtjahre entfernt um das Zentrum der Milchstraße. Diese enthält ein sehr massereiches Schwarzes Loch. Es hat die Bezeichnung Sagittarius A* (Sgr A*). Die gelb eingekreisten Röntgenquellen sind wahrscheinlich Neutronensterne oder weiße Zwergsterne in Doppelsystemen mit weniger Masse.

Einzelne Schwarze Löcher sind unsichtbar. Doch in Doppelsystemen ziehen sie Materie von einem normalen Begleitstern ab. Dabei entsteht Röntgenstrahlung. Beim galaktischen Zentrum erkennt man Schwarze Löcher nur als punktförmige Röntgenquellen. Chandra kann nur die helleren dieser Doppelsysteme erkennen. Das ist ein Hinweis, dass es dort Hunderte schwächerer Doppelsysteme mit Schwarzen Löchern geben muss, die man aber noch nicht entdeckt hat.

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Unerwartete Röntgenstrahlen vom Perseus-Galaxienhaufen

Mitten im Bild strahlt ein helles Licht. Es ist von einem violetten Schimmer umgeben, noch weiter außen verläuft ein breiter, dunkelblauer ovaler Ring. Im Bild sind einige Sterne und Galaxien verteilt.

Bildcredit: Röntgen: NASA/CXO/Oxford University/J. Conlon et al.; Radio: NRAO/AUI/NSF/Univ. of Montreal/Gendron-Marsolais et al.; Optisch: NASA/ESA/IoA/A. Fabian et al.; DSS

Warum leuchtet der Galaxienhaufen im Perseus so seltsam in einer bestimmten Wellenlänge von Röntgenlicht? Das ist nicht bekannt. Eine viel diskutierte Hypothese besagt, dass diese Röntgenstrahlen ein Hinweis auf die lange gesuchte Form Dunkler Materie sind. Das Rätsel dreht sich um eine Röntgenfarbe von 3,5 Kiloelektronenvolt (KeV). Sie leuchtet anscheinend nur dann stark, wenn man Bereiche weit außerhalb vom Haufenzentrum beobachtet. Im Bereich um das zentrale, sehr massereiche Schwarze Loch, das sich wahrscheinlich dort befindet, gibt es nur wenig 3,5 KeV-Röntgenstrahlung.

Ein ziemlich umstrittener Lösungsvorschlag lautet, dass es sich um etwas handeln könnte, das man nie zuvor sah: fluoreszierende Dunkle Materie (FDM). Diese Art Dunkler Teilchenmaterie könnte 3,5-KeV-Röntgenstrahlung absorbieren. Falls dem so ist, strahlt FDM nach Absorption dieses Röntgenlicht vielleicht später aus dem ganzen Haufen ab. Dabei entsteht eine bestimmte Emissionslinie. Sieht man sie jedoch vor der Zentralregion um das Schwarze Loch, müsste die Absorption von FDM deutlicher ausfallen und eine Absorptionslinie erzeugen.

Das Kompositbild zeigt den Galaxienhaufen im Perseus. Sichtbares Licht und Radiolicht leuchten rot. Das Röntgenlicht wurde vom Weltraumobservatorium Chandra aufgenommen. Es ist blau dargestellt.

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Zwei Schwarze Löcher tanzen in 3C 75

Vor einem blauen Nebel stömen von zwei hellen Lichtquellen rosafarbene, nebelartige Strahlen aus, die nach links gefegt wirken.

Bildcredit: Röntgen: NASA/CXC/D. Hudson, T. Reiprich et al. (AIfA); Radio: NRAO/VLA/ NRL

Was geschieht im Zentrum der aktiven Galaxie 3C 75? Dieses Kompositbild entstand aus Röntgendaten (blau) und Radiowellenlängen (rosarot). In der Mitte sind zwei helle Quellen. Es sind zwei sehr massereiche Schwarze Löcher, die einander umkreisen. Sie speisen die gewaltige Radioquelle 3C 75. Die massereichen Schwarzen Löcher sind 25.000 Lichtjahre voneinander entfernt. Das Gas, das sie umgibt, ist viele Millionen Grad heiß. Es strahlt Röntgenlicht ab.

Die Schwarzen Löcher befinden sich in den Kernen zweier Galaxien im Galaxienhaufen Abell 400, die miteinander verschmelzen. Sie stoßen Strahlen aus relativistischen Teilchen aus. Ihre Distanz zu uns beträgt etwa 300 Millionen Lichtjahre. Man vermutet, dass die beiden Schwarzen Löcher durch Gravitation in einem Binärsystem aneinander gebunden sind. Wahrscheinlich entsteht die einheitlich zurückgefegte Erscheinung der Strahlen, weil sie sich gemeinsam bewegen. Sie rasen mit 1200 Kilometern pro Sekunde durch das heiße Gas im Haufen.

In der Umgebung dicht gedrängter Galaxienhaufen im fernen Universum gibt es wohl viele so spektakuläre kosmische Verschmelzungen. Kurz bevor die Objekte verschmelzen, stoßen sie starke Gravitationswellen aus.

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LIGO-Virgo GW170814 Himmelskarte

Auf der Karte des ganzen Himmels sind die Messungen von drei Gravitationswellen-Detektoren markiert, die ein Ereignis beobachteten. Rechts krümmt sich der Bogen der Milchstraße. Unten in der Mitte liegen die Magellanschen Wolken.

Illustrationscredit: LIGO–Virgo-Arbeitsgemeinschaft; Optische Himmelsdaten: A. Mellinger

Detektoren für Gravitationswellen sind über den Planeten Erde verteilt. Drei davon meldeten gleichzeitig eine Beobachtung von Wellen in der Raumzeit. Es ist erst das vierte Mal, dass die Verschmelzung eines Binärsystems Schwarzer Löcher im fernen Universum entdeckt wurde. Das Ereignis wurde GW170814 benannt, weil es am 14. August 2017 gemessen wurde.

Die Beobachtungsorte von LIGO lagen in Hanford in Washington und Livingston in Louisiana. Auch das Virgo-Observatorium bei Pisa in Italien war daran beteiligt. Es ging erst kürzlich in Betrieb. Das Signal entstand kurz bevor zwei Schwarze Löcher verschmolzen. Sie hatten 31 und 25 Sonnenmassen und sind etwa 1,8 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Man verglich die Zeit, zu der die Gravitationswellen an den drei Standorten gemessen wurde. Eine Region am Himmel stimmt mit den Signalen aller drei Detektoren überein. Sie liegt im Sternbild Eridanus. Die Karte des ganzen Himmels markiert sie mit einem gelben Umriss. Die Projektion zeigt auch den Bogen unserer Milchstraße.

Weil drei Detektoren beteiligt waren, konnte man die Lage und Herkunft der Gravitationswellen viel besser bestimmen. So konnten Observatorien, die elektromagnetische Strahlung beobachten, danach den Ort schneller beobachten. Sie suchten nach Signalen, die vielleicht mit dem Ereignis einhergingen. Weil der Virgo-Detektor die Beobachtung ergänzte, konnte man auch die Polarisation der Gravitationswellen messen. Das kann Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigen.

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N6946-BH1: Der Fall eines fehlenden Sterns

Das Bild ist zweigeteilt. Links im älteren Bild ist ein heller Stern erkennbar, der im rechten, neueren Bildteil verschwunden ist. Die Stelle ist jeweils mit einem blauen Kreis markiert.

Bildcredit: NASA, ESA, Hubble, C. Kochanek (OSU)

Was passiert mit dem Riesenstern N6946-BH1? Vor ein paar Jahren war er da. Hubble fotografierte ihn. Nun ist dort nur noch ein blasses Leuchten. Noch seltsamer ist, dass es keine helle Supernova gab, obwohl der Stern einige Monate lang deutlich heller wurde.

N6946-BH1 enthält etwa 25 Sonnenmassen. Die führende Theorie besagt, dass die starke Gravitation bei seinem finalen stürmischen Kampf den Großteil des Sterns zusammenhielt. Danach versank ein Großteil des Sterns in einem hausgemachten Schwarzen Loch. Falls dem so ist, entstand wohl aus allem, was außerhalb des Schwarzen Lochs übrig blieb, eine Akkretionsscheibe. Sie strahlt vergleichsweise blasses Infrarotlicht ab und wirbelt herum, ehe sie hineinfällt.

Falls sich diese finale Entwicklung am Ende bei anderen Sternen bestätigt, wäre das ein direkter Hinweis, dass ein sehr massereicher Stern seine Existenz eher mit einem Wimmern als mit einem Knall beendet.

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Schwarze Löcher mit bekannter Masse

Das Diagramm zeigt Schwarze Löcher, bei denen Gravitationswellen gemessen wurden, als blaue Kreise. Die Massen werden über das Diagramm in Relation zueinander gebracht.

Illustrationscredit: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

GW170104 können wir zum Diagramm Schwarzer Löcher mit bekannter Masse hinzufügen. Die Verschmelzung zweier kleinerer Schwarzer Löcher ist extrem energiereich. Sie passt zur dritten Entdeckung von Gravitationswellen mit dem Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO).

Das neu entdeckte Schwarze Loch hat etwa 49 Sonnenmassen. Es füllt die Lücke zwischen den Massen der beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher, die zuvor mit LIGO entdeckt wurden. GW150914 hatte 62 Sonnenmassen und GW151216 ist 21-mal so schwer wie die Sonne. In allen drei Fällen wurde das Signal in jedem Zwillings-Detektor von LIGO eindeutig als Verschmelzung Schwarzer Löcher erkannt. Ein vierter Fall ist LVT151012. Er ergibt sich aus einem weniger sicheren Nachweis.

Die Entfernung zu GW170104 beträgt ungefähr 3 Milliarden Lichtjahre. Es ist somit weiter entfernt als die aktuell geschätzten Distanzen zu GW150914 und GW151216. Die Wellen in der Raumzeit wurden bei LIGOs aktueller Beobachtungsperiode entdeckt. Diese begann am 30. November 2016 und wird über den Sommer fortgesetzt.

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Das holografische Prinzip

Das Bild zeigt viele bunte Flecken. Wenn man das Bild schielend anstarrt, erkennt man nach einiger Zeit eine Teekanne, die plastisch hervortritt.

Bildcredit: Caltech

Sagt dieses Bild mehr als tausend Worte? Was das Holografische Prinzip betrifft, beträgt die größte Menge an Information, die dieses Bild enthalten kann, auf einem handelsüblichen Monitor eines Computers etwa 3 x 1065 Bit.

Das Holografische Prinzip ist bisher unbewiesen. Es besagt, dass die Menge an Information, die in einem Bereich auf jeder beliebigen Oberfläche enthalten sein kann, begrenzt ist. Somit hängt die Menge an Information im Inneren eines Raumes – anders, als man vermuten würde – nicht vom Volumen des Raumes ab, sondern von der Fläche der angrenzenden Wände.

Das Prinzip leitet sich von der Idee ab, dass die Seite einer Fläche, die nur etwa ein Bit Information enthält, eine Planck-Länge misst. Eine Planck-Länge ist die Größenordnung, ab der die klassische Gravitation ihre Bedeutung verliert und die Quantenmechanik übernimmt. Diese Grenze wurde erstmals 1993 von dem Physiker Gerard ‚t Hooft postuliert.

Man kann diese scheinbar abwegige Überlegung verallgemeinern. Dann ergibt sich, dass die Information in einem Schwarzen Loch nicht vom Volumen bestimmt wird, sondern von der Oberfläche des Ereignishorizonts.

Der Begriff „holografisch“ leitet sich von der Analogie zu einem Hologramm ab. Dabei entstehen dreidimensionale Bilder, indem man Licht auf eine flache Leinwand projiziert. Aufgepasst: Manche sehen in diesem Bild vielleicht nicht 3 x 1065 Bit, sondern eine Teekanne.

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Fasern der aktiven Galaxie NGC 1275

Die Galaxie NGC 1275 hat hüllenartige Schalen und ist von wilden Strukturen überlagert. Um sie herum befinden sich weitere Galaxien.

Bildcredit: Hubble-Vermächtnisarchiv, ESA, NASA; Bearbeitung und Bildrechte: Domingo Pestana

Was bindet die Fasern an diese Galaxie? Die Fasern bleiben in NGC 1275 bestehen, obwohl der Tumult galaktischer Kollisionen sie zerstört haben sollte. Die aktive Galaxie NGC 1275 ist das markanteste Mitglied mitten im großen Perseus-Galaxienhaufen, der relativ nahe liegt.

In sichtbaren Wellenlängen sieht die aktive Galaxie wild aus. Sie ist auch eine gewaltige Quelle an Röntgen– und Radioemissionen. NGC 1275 sammelt Materie, indem ganze Galaxien hineinfallen. Am Ende speisen sie ein sehr massereiches Schwarzes Loch im Kern der Galaxie. Das Kompositbild entstand aus Archivdaten des Weltraumteleskops Hubble. Es betont die galaktischen Trümmer und Fasern aus leuchtendem Gas. Manche sind bis zu 20.000 Lichtjahre lang.

Durch die Aktivität des Schwarzen Lochs wurden Strukturen vom Galaxienzentrum ausgestoßen. Beobachtungen zeigen, dass diese Strukturen von Magnetfeldern zusammengehalten werden. NGC 1275 ist auch als Perseus A bekannt. Sie ist mehr als 100.000 Lichtjahre breit und etwa 230 Millionen Lichtjahre entfernt.

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