XMM-NEWTON & NUSTAR
Die Rotation von Schwarzen Löchern
von Stefan Deiters
astronews.com
28. Februar 2013

Durch gemeinsame Beobachtungen des europäischen Röntgenteleskops XMM-Newton und des NASA-Röntgenteleskops NuSTAR ist es jetzt erstmals gelungen, sichere Informationen über das Rotationsverhalten eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie zu gewinnen. Diese verraten den Astronomen einiges über das Wachstum des Schwarzen Lochs.

Illustration der direkten Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie. Bild: NASA/JPL-Caltech

Das untersuchte supermassereiche Schwarze Loch mit der rund zweimillionenfachen Masse unserer Sonne befindet sich - verborgen hinter Gas und Staub - im Zentrum der Galaxie NGC 1365. Es dreht sich mit fast der maximalen Geschwindigkeit um die eigene Achse, die nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie möglich ist. Bislang hatte man diese Eigendrehung von Schwarzen Löchern nicht sicher bestimmen können. Von den Messungen versprechen sich die Astronomen ein besseres Verständnis von Schwarzen Löchern und der Entwicklung der Galaxien, in denen sie sich befinden.

Supermassereiche Schwarze Löcher vermutet man in den Zentren nahezu aller Galaxien. Ihr Wachstum dürfte eng mit der Geschichte der sie umgebenden Galaxie verbunden sein. Das Rotationsverhalten der Schwarzen Löcher verrät den Astronomen dabei etwas über die Vergangenheit von Schwarzem Loch und Galaxie. So sollte sich beispielsweise ein Schwarzes Loch, das durch einen ständigen Strom von Materie kontinuierlich anwächst, am Ende recht schnell um die eigene Achse drehen.

Allerdings könnte eine schnelle Rotation auch auf die Kollision von zwei kleineren Schwarzen Löchern hindeuten, die schließlich verschmolzen sind. Ist das Schwarze Loch hingegen durch das Verschlucken von zahlreichen Materieklumpen angewachsen, die aus allen Richtungen kamen, sollte es sich vergleichsweise langsam um die eigene Achse drehen. In der Entwicklungsgeschichte eines supermassereichen zentralen Schwarzen Lochs spiegelt sich auch immer die Geschichte der umgebenden Galaxie wider, da schließlich nur ein Bruchteil der Materie, aus der sich die Galaxie gebildet hat und die die Galaxie aus der kosmischen Umgebung anzieht, im Schwarzen Loch endet.

Die Messung des Rotationsverhaltens von supermassereichen Schwarzen Löchern ist also außerordentlich interessant, aber leider auch sehr schwierig. Astronomen untersuchen dazu die Röntgenstrahlung, die in unmittelbarer Nähe des Ereignishorizonts abgegeben wird. Der Ereignishorizont ist eine Grenze rund um ein Schwarzes Loch, nach deren Überqueren es kein Zurück mehr gibt - auch nicht für das Licht.

Supermassereiche Schwarze Löcher sind von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich das Material sammelt bevor es schließlich im Schwarzen Loch verschwindet. Es heizt sich dabei auf extreme Temperaturen auf und sendet daher eine intensive Strahlung aus. Je schneller sich ein Schwarzes Loch um die eigene Achse dreht, so sagt es Einsteins Theorie voraus, desto näher befindet sich diese Akkretionsscheibe am Schwarzen Loch. Je näher sie aber am Schwarzen Loch ist, desto stärker wird auch die Röntgenstrahlung von der enormen Anziehungskraft des Schwarzen Lochs beeinflusst.

Ideal für solche Untersuchungen ist die Strahlung heißer Eisenatome, die im Röntgenbereich bei einer bestimmten Energie eine ausgeprägte Signatur zeigt. Diese Signatur erscheint in der Nähe des Ereignishorizonts dann - aufgrund der Gravitationswirkung des Schwarzen Lochs - auf charakteristische Weise gestört. So hat man in der Vergangenheit schon bei verschiedenen supermassereichen Schwarzen Löchern auf eine extrem schnelle Eigendrehung geschlossen.

Es gab bislang allerdings ein Problem: Die "verschmierte" Signatur der heißen Eisenatome in der Röntgenstrahlung würde sich auch durch die Absorption der Röntgenstrahlung durch Gaswolken erklären lassen, die sich ganz in der Nähe der Akkretionsscheibe befinden. Bislang war es nicht möglich, zwischen diesen beiden Erklärungsmodellen für die Beobachtungen zu unterscheiden.

Im Juli 2012 haben nun das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA und das europäische Weltraumteleskop XMM-Newton gemeinsam das Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365 für rund 36 Stunden anvisiert. NuSTAR hat dabei Röntgenstrahlung höherer Energie gemessen, XMM-Newton die niedrigerer Energie. Aus den beiden Modellen - schnell rotierendes Schwarzes Loch und Absorption durch Gaswolken - ergeben sich eindeutige Vorhersagen über das zu erwartende Verhältnis dieser beiden Röntgenstrahlungsbereiche.

Die Messungen von NuSTAR und XMM-Newton, die jetzt in einem Fachartikel in der Wissenschaftszeitschrift Nature vorgestellt werden, stimmen nur mit einem schnell rotierenden Schwarzen Loch überein. Das deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch in NGC 1365 durch einen beständigen Materiestrom angewachsen ist. Es wäre allerdings auch möglich, dass die Rotation durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher infolge einer Galaxienkollision entstanden ist.

"Wir können aber das Absorptionsmodell sicher ausschließen", so Guido Risaliti vom INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri im italienischen Florenz, der die Untersuchung leitete. "Jetzt, wo wir wissen, wie man die Rotation von Schwarzen Löchern sicher bestimmen kann, können wir das Verfahren mit mehr Vertrauen nutzen, um daraus etwas über die Entwicklung der Wirtsgalaxien der Schwarzen Löcher abzuleiten." Risaliti ist schon dabei, die Methode bei weiteren Galaxien anzuwenden.

"Dieses Ergebnis ist ein tolles Beispiel dafür, was man erreichen kann, wenn zwei sich ergänzende Weltraummissionen zusammenarbeiten", so Norbert Schartel, der ESA-Projektwissenschaftler für XMM-Newton. "Diese Untersuchung wäre nicht möglich gewesen, wenn die beiden Weltraumteleskope nicht im Tandem gearbeitet hätten."