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Gigantischer kosmischer Mahlstrom reißt Stern entzwei
Max-Planck-Forschern gelingt erstmals die direkte
Beobachtung,
wie ein Stern von einem massereichen Schwarzen Loch
zerrissen und dann verschlungen wird
Heute geht man davon aus, dass Schwarze Löcher auch im Kern nicht aktiver
Galaxien zu finden sind. Direkter Beleg dafür wäre das Auseinanderreißen
einzelner Sterne, deren Verschwinden von extrem intensiven Ausbrüchen
elektromagnetischer Strahlung begleitet sein müsste. Astrophysikern des
Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching ist es jetzt - in
Kooperation mit Kollegen der Columbia University/USA und der ESA/Spanien -
tatsächlich gelungen, ein solches Ereignis mit dem kombinierten Einsatz der zwei
Röntgenobservatorien "Chandra" und "XMM-Newton" in der Galaxie RXJ1242-1119
erstmals direkt nachzuweisen. Das Forscherteam hatte beobachtet, wie das Zentrum
der optisch unscheinbaren Galaxie im Röntgenlicht extrem hell aufflammte und im
Maximum eine nur Quasaren, den hellsten Objekten im Universum, vergleichbare
Leuchtkraft erreichte, die erst Jahre später wieder dramatisch in sich
zusammensank, ohne jedoch ganz zu verschwinden, so dass noch immer eine Art
"Nachglühen" zu beobachten ist. Mit der Beobachtung des Strahlungsausbruchs
eines verschwindenden Sterns ist den Forschern der erste klare Nachweis
gelungen, dass dieser Prozess, der bisher zwar in zahlreichen theoretischen
Arbeiten renommierter Autoren vorausgesagt worden war, tatsächlich in der Natur
vorkommt (Astrophysical Journal, 20. Februar 2004).
Wie häufig sind Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien? Welche Masse und
welchen Drehimpuls haben sie? Haben sich Galaxien und Schwarze Löcher
gleichzeitig gebildet ? Wie wachsen Schwarze Löcher zu ihrer teils enormen Masse
von Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen? Die Beantwortung dieser Fragen
ist von großer Wichtigkeit, will man die Entstehung und Entwicklung von Galaxien
verstehen. Die meisten Astronomen sind inzwischen sicher, dass eine kleine,
spezielle Gruppe von Galaxien, die so genannten "Aktiven Galaxien" oder
"Quasare", die sich durch einen dauerhaft leuchtkräftigen Kern auszeichnen, von
zentralen Schwarzen Löchern "angetrieben" werden. Doch neben der kleinen Zahl
"Aktiver Galaxien" stellt sich heute in der Astrophysik die Frage, ob es
Schwarze Löcher auch in den Kernen der meisten oder gar aller Galaxien gibt.
Doch wie könnte man diese Schwarzen Löcher in den Zentren ferner Galaxien
tatsächlich nachweisen? Der britische Astrophysiker Sir Martin Rees hat in
seinen Arbeiten darauf verwiesen, dass man als unweigerliche Folge des
Vorhandenseins und womöglich als direktesten Hinweis auf die Existenz eines
Schwarzen Lochs beobachten müsste, dass einzelne Sterne im Zentrum einer Galaxie
dem Schwarzen Loch "zu nahe" kommen und durch seine enormen Gezeitenkräfte
schließlich zerrissen und nach und nach von diesem "verschlungen" werden.
Abb. 1: Ein Stern wird durch die Gezeitenwirkung eines Schwarzen Lochs
zerrissen (oberes Bild). Ein Teil der stellaren Trümmer wird dann von dem
Schwarzen Loch aufgesogen (mittleres Bild) und heizt sich dabei stark auf. Dies
führt zu einem gigantischen Strahlungsausbruch, der mit der Zeit wieder abklingt
(unteres Bild).
Bild: NASA/CXC/MPI für extraterrestrische Physik
Dramatischer Strahlungsausbruch aus dem Kern einer Galaxie
Die Max-Planck-Wissenschaftler hatten im Jahr 1992 eine ungewöhnliche Quelle von
Röntgenstrahlung mit dem Röntgensatelliten "ROSAT" entdeckt. Im Vergleich zu
ihren Eigenschaften im sichtbaren Licht - es schien sich um eine "ganz normale"
Galaxie zu handeln - war sie im Röntgenlicht viel zu hell und zeigte zudem
höchst seltsame Eigenschaften. Um dem Rätsel dieses Objektes auf die Spur zu
kommen, haben die Garchinger Forscher diese Galaxie jetzt erneut mit drei der
leistungsstärksten Observatorien im Erdorbit, dem Hubble Space Telescope, dem
NASA-Satelliten Chandra und dem ESA-Satelliten XMM-Newton, beobachtet. Dabei
entdeckten sie, dass die Helligkeit dieser Galaxie seither dramatisch - um den
Faktor 200 - abgesunken war, dass die helle Strahlung tatsächlich aus ihrem Kern
stammte und dass ihr Kern immer noch nicht ganz vom Röntgenhimmel verschwunden
war - er strahlt immer noch heller als eine normale Galaxie.
Die dabei freigesetzten, ungeheuer großen Energiemengen lassen zweifelsfrei auf
ein sehr massereiches Schwarzes Loch im Kern dieser Galaxie schließen. Doch was
war geschehen? Offensichtlich war ein Stern dem Schwarzen Loch im Zentrum der
Galaxie zu nahe gekommen und dessen starken " Gezeitenkräften" ausgesetzt.
Dadurch deformierte sich der Stern zunächst stark, bis er schließlich völlig
zerrissen wurde. In einer Art riesigem Strudel hat sich das Schwarze Loch dann
einen Grossteil der stellaren "Trümmer" nach und nach einverleibt. Beim
Einströmen in das Schwarze Loch heizten sich die stellaren Überreste stark auf,
was schließlich derart intensive Röntgenstrahlung erzeugte, die man selbst von
Röntgenobservatorien im Erdorbit nachweisen und genauer untersuchen konnte.
Abb. 2: "Nachgluehen" des Roentgenflares (blau) aus dem Kern der fernen
Galaxie (orange).
Bild: MPE/CXC/NASA/Komossa et al.
Um die Leuchtkraft im Maximum eines solchen Strahlungsausbruches aufrecht zu
erhalten, schätzt Stefanie Komossa, eine an der Entdeckung beteiligte
Wissenschaftlerin, muss das Schwarze Loch etwa alle zehn Minuten eine
Materiemenge von der Größenordnung einer Erdmasse verschluckt haben. Die dabei
insgesamt freigesetzte Energie ist mit 1044 Watt s (1051 erg) unvorstellbar
groß.
Würde ein solches Ereignis in unserer eigenen Galaxis stattfinden, wäre ihr
Zentrum im Röntgenlicht vorübergehend hundert Milliarden mal leuchtkräftiger.
Hätten wir zudem einen unverhüllten Blick auf das Galaktische Zentrum, würde
dieses - im Röntgenlicht - am Himmel vorübergehend fast so hell strahlen wie
unsere Sonne. Hätten XMM-Newton und Chandra ihre "Augen" direkt in Richtung
dieser Quelle gerichtet, würden ihre Detektoren durch die intensive Strahlung
stark beschädigt.
Notwendigkeit weltraumgestützter Röntgenobservatorien
Röntgensatelliten wie XMM oder Chandra sind heute unentbehrlich, um derartigen
kosmischen Ereignissen auf die Spur zu kommen: Mit Chandra konnte im konkreten
Fall die Quellposition relativ genau festgelegt werden - mit ROSAT war man
seinerzeit nur in der Lage, eine grobe Himmelsposition des Strahlungsausbruchs
zu ermitteln. Denn Chandra erreicht - erstmals in der Röntgenastronomie - eine
sehr hohe räumliche Auflösung. Auf diese Weise konnten die Forscher bestätigen,
dass der ungewöhnliche Strahlungsausbruch (Röntgen-Flare) tatsächlich aus der
beobachteten Galaxie und konkret aus ihrem Kernbereich kam. XMM-Newton diente
dazu, zum ersten Mal das "Spektrum" zu vermessen, in dem die Überreste des
Sterns weiterhin "nachglühen". Bei diesem "Röntgenspektrum" handelt es sich
letztlich um eine Art diagnostische Temperatur-Messung: Ähnlich wie ein Arzt bei
einem Patienten wiederholt die Temperatur kontrolliert, um zu einer Diagnose zu
kommen, messen die Astronomen die "Röntgentemperatur" im Kern einer Galaxie, um
herauszufinden, was in ihr tatsächlich vor sich geht. Aufnahmen des
Weltraumteleskops Hubble bestätigten schließlich, dass es sich wirklich um eine
im sichtbaren Licht "unscheinbare" Galaxie handelt, die sonst keine auffälligen
Merkmale zeigt.
Bedeutung der Strahlungsflares für die Astrophysik
Der Nachweis und die Untersuchung solcher Strahlungsausbrüche von Sternen, die
durch massereiche Schwarze Locher zerrissen werden, ist für verschiedenste
Kerngebiete der Astrophysik von großer Bedeutung - von der Galaxienentstehung
über das Wachstum Schwarzer Löcher bis hin zu Themen der Allgemeinen
Relativitätstheorie. Strahlungsflares sind die sicherste Methode, massereiche
Schwarze Löcher in anderen Galaxien zu identifizieren. Die dabei ausgesandte
hochenergetische Röntgenstrahlung spiegelt die Bedingungen in der unmittelbaren
Nähe von Schwarzen Löchern wider und gibt letztlich auch Hinweise auf ihre Masse
und ihren Drehimpuls und damit auf die Entstehung und Entwicklung dieser
"kosmischen Mahlströme" in der "Frühzeit" des Universums.
Das Einfangen und Zerreißen von Sternen durch Schwarze Löcher ist - neben der
Akkretion von Gas sowie der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern - einer der
drei Hauptmechanismen, die nach heutiger Kenntnis zum Wachstum Schwarzer Löcher
beitragen. Eine genauere Kenntnis dieses Prozesses könnte auch eine wichtige
Rolle beim Verständnis eines der bedeutendsten Skalierungsgesetze für Galaxien
spielen - der Kopplung zwischen der Zentralmasse und der
Geschwindigkeitsverteilung der sie umgebenden Sterne.
Zukünftige Anwendungen
Künftige "Röntgen-Himmelsdurchmusterungen", wie beispielsweise mit der geplanten
Mission "DUO", spielen eine entscheidende Rolle beim Auffinden solcher
Strahlungsausbrüche. Ihre Untersuchung würde zudem das Studium physikalischer
Gesetze unter extremen Bedingungen erlauben. So erwarten die Wissenschaftler,
dass sich in den Röntgenspektren auch Folgen der Präzession, des "Herumwirbelns"
der stellaren Trümmer im starken Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs, wie von
der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, wieder finden lassen. Zudem
erleuchten intensive Strahlungsblitze vorübergehend das Material rund um ein
Schwarzes Loch, das sonst im Dunkeln liegt, und machen es in einem gigantischen
"Lichtecho" sichtbar. Ähnlich wie sich ein im Dunkeln Verirrter orientieren
kann, wenn seine Umgebung vorübergehend durch einen Blitz aufgehellt wird,
könnte das "Lichtecho" des Strahlungsausbruchs eines zerrissenen Sterns den
Astronomen dann wichtige Informationen über die Bedingungen in den Kernbereichen
von Galaxien liefern.
Quellen:
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
http://www.mpg.de
Prof. Reinhard Genzel
Max-Planck-Gesellschaft, München
Originalveröffentlichung:
S. Komossa, J. Halpern, N. Schartel, G. Hasinger, M. Santos-Lleo, P.
Predehl
A Huge Drop in X-Ray Luminosity of the Non-Active Galaxy RXJ1242.6-1119A, And
First Post-Flare Spectrum - Testing the Tidal Disruption Scenario
Astrophysical Journal, Vol 602, 20 February 2004
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Stefanie Komossa
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Tel.: 089 30000-3577
Fax: 089 30000-3569
E-Mail: skomossa@mpe.mpg.de
Prof. Günther Hasinger
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Tel.: 089 30000-3401
Fax: 089 30000-3404
E-Mail:
ghasinger@mpe.mpg.de
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