INTEGRAL
Der Ausbruch eines Mikroquasars
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
astronews.com
7. März 2016

Astronomen haben mit dem ESA-Weltraumteleskop Integral einen Ausbruchs des Mikroquasars V404 Cygni beobachtet und dabei erstmals in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Loches das lange vermutete Elektron-Positron Paar-Plasma nachweisen können. Die Messungen lieferten den Forschern Informationen aus dem Innenbereich der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch.

Künstlerische Darstellung eines sogenannten Mikroquasars. Er besteht aus einem stellaren Schwarzen Loch, das Materie von einem Begleitstern abzieht und dabei eine Akkretionsscheibe sowie Jets bildet. Bild: NASA / ESA [Großansicht]

Schwarze Löcher sind ein bedeutender Forschungszweig in der Astrophysik. Neben den massereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien gibt es auch die stellaren Schwarzen Löcher, die durch die Supernova eines massereichen Sterns entstehen. War dieser Stern vor seinem explosiven Ende Teil eines Doppelsternsystems, kann sich ein sogenannter Mikroquasar bilden.

In einem Mikroquasar besitzt das Schwarze Loch in der Regel die vielfache Masse unserer Sonne und zieht Materie von seinem Begleitstern ab. Der Materiestrom bildet eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. Diese wird auf hohe Temperaturen aufgeheizt, so dass sie hell und im Röntgenbereich strahlt. Zudem verdeckt sie den Innenbereich, wo Materie hinter dem Ereignishorizont verschwindet und es werden heiße Plasmajets mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen.

Die meiste Zeit verbringt ein Mikroquasars eher ruhig. Langsam und stetig wird Materie von der Innenkante der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch abgezogen. In diesen Phasen, aber noch mehr während der gelegentlichen, plötzlichen Ausbrüche, bleibt der Innenbereich in der Nähe des Schwarzen Lochs sogar für hochenergetische Gammastrahlen undurchsichtig. Es war daher lange Zeit praktisch unmöglich zu untersuchen, wie die Akkretion von Materie tatsächlich zu diesen beobachteten Phänomenen führt.

Der im vergangenen Juni mit dem ESA-Weltraumteleskop Integral beobachtete Mikroquasar V404 Cygni befindet sich nur 8.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schwan. Die Parameter dieses Doppelsternsystems sind den Astronomen daher gut bekannt. Nach 26 Jahren mit eher ruhiger Akkretion und Strahlung flackerte das System im Sommer 2015 plötzlich hell auf. In der Zeit zwischen 17. und 30. Juni 2015 beobachteten die Astronomen intensive Röntgen- und Gammastrahlung, um ein Vielfaches stärker als der Krebsnebel, der normalerweise die hellste Lichtquelle am Hochenergie-Himmel ist. Zudem ist V404 Cygni ein besonderes Objekt: "Nach den Daten verschiedener Wellenlängenbereiche scheint der Jet hier gerade auf uns zu gerichtet zu sein", sagt Jerome Rodriguez vom CEA in Paris.

"Solch ein extrem starker Ausbruch sollte zur Bildung von großen Mengen an Paar-Plasma führen, also zu Materie- und Antimaterie-Teilchen, die nach Einsteins Formel E=mc² aus der freigesetzten Energie entstehen", erklärt Roland Diehl am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. "Viele dieser Teilchen zerstrahlen sofort wieder miteinander und senden eine sehr charakteristische, energiereiche Strahlung. Und genau diese Linie, mit den erwarteten kinematischen Verzerrungen, konnten wir beobachten. Dies ist das erste Mal, dass wir ein klares Signal von Positronen aus einem gut bekannten Doppelsternsystem mit einem Schwarzen Loch sehen!"

Die Daten wurden in drei Epochen von etwa drei Tagen gruppiert, und in jeder Epoche wurde ein signifikanter Überschuss an Leuchtkraft im gesuchten Energiebereich entdeckt. Theoretische Arbeiten zeigen, dass sich dieses Signal nur durch die Produktion von Elektronen und Positronen und deren Annihilation erklären lässt. Diese Paare von Teilchen und Anti-Teilchen werden in der Nähe des Schwarzen Lochs von der hochenergetischen Gammastrahlung während intensivierter Phasen der Akkretion erzeugt.

Aufgrund der geringen Größe der Quelle ist dieser Prozess offenbar sehr effizient. Das Paar-Plasma wird kontinuierlich erzeugt und auf dem Weg nach außen vernichtet, immer noch relativ nahe am Schwarzen Loch. Bei V404 Cygni war die zerstrahlende Positronen-Menge nun groß genug, um dieses Gammasignal zu erkennen. Das während "Epoche 3" beobachtete Signal ist etwas verwirrend, da es eher auf Positronium-Atome hinweist, das heißt auf exotische Atome aus einem Positron als Atomkern und einem Elektron. Derartige Positronen-Annihilations-Strahlung wurde von den Max-Planck-Wissenschaftlern mit Integral in der gesamten Galaxie seit Jahren im Detail vermessen, allerdings tritt sie normalerweise in einer viel kälteren und weniger dichten Umgebung auf.

"Sobald das besondere Röntgensignal von V404 Cygni nach dem Aufflackern verblasste, verschwand auch das Annihiliationssignal", so Max-Planck-Forscher Thomas Siegert. "Diese Messung gibt uns Informationen aus dem Innenbereich der Akkretionsscheibe, von Prozessen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs. Unsere Analyse stellt zudem eine natürliche Verbindung her zwischen dem Prozess der Paarbildung und dem später beobachteten Plasmastrom in den Radiojets, die viel weiter von der inneren Quelle entfernt sind. "

Das Paar-Plasma kann leicht beschleunigt werden und erreicht dabei eine hohe Geschwindigkeit, was man durch Radiobeobachtungen erkennen kann. Dieser Ausstoß von Elektron-Positron-Paaren macht Mikroquasare außerdem zu effizienten Produktionsstätten von Antimaterie. Diese wurde schon seit längerem als mögliche Quellen für das ausgedehnte diffuse Leuchten der gesamten Galaxie im Licht von Annihilations-Gammastrahlen diskutiert. Die jetzigen Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Positronen-Emission von Mikroquasaren und können helfen zu verstehen, warum diese diffuse Positronen-Vernichtungsstrahlung in unserer Milchstraße so hell ist, insbesondere in der zentralen Region.

Über ihre Beobachtungen berichteten die Astronomen in der vergangenen Woche in der Zeitschrift Nature.