Animation: Spiralscheibe um ein schwarzes Loch


Bildcredit: ESA, NASA, Hubble, M. Kornmesser

Beschreibung: Was sieht man, wenn man ein Schwarzes Loch umkreist? Viele Schwarze Löcher sind von wirbelnden Gasansammlungen umgeben, die als Akkretionsscheiben bezeichnet werden. Diese Scheiben können extrem heiß sein, und ein großer Teil des umkreisenden Gases fällt irgendwann durch den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs – von wo es nie wieder auftaucht.

Diese Animation ist eine künstlerische Darstellung der seltsamen Scheibe, die spiralförmig um das sehr massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 3147 wirbelt. Gas am inneren Rand dieser Scheibe kommt dem Schwarzen Loch so nahe, dass es sich ungewöhnlich schnell bewegt – mit 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. So schnelles Gas leuchtet relativistisch – dadurch erscheint die Seite der Scheibe, die sich auf uns zubewegt, deutlich heller als die Seite, die sich von uns entfernt. Diese Animation basiert auf Bildern von NGC 3147, die kürzlich mit dem Weltraumteleskop Hubble gemacht wurden.

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Wachsendes Schwarzes Loch mit Strahl

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Illustrationscredit: NASA, Swift, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt?

Viele Details sind noch unbekannt, doch aktuelle Beobachtungen liefern neue Hinweise. 2014 wurde von den bodengebundenen Roboterteleskopen des Projekts der automatisierten Ganzhimmelssuche nach Supernovae (ASAS-SN) eine mächtige Explosion beobachtet und weiterverfolgt, unter anderem von den Instrumenten des NASASatelliten Swift im Erdorbit. Computermodelle dieser Emissionen passen zu einem Stern, der von einem fernen, sehr massereichen Schwarzen Loch auseinandergerissen wird. Die Ergebnisse einer solchen Kollision sind auf dieser künstlerischen Darstellung dargestellt.

Das Schwarze Loch selbst ist als winziger schwarzer Punkt in der Mitte dargestellt. Wenn Materie ins Loch fällt, kollidiert sie mit anderer Materie und erhitzt sich. Das Schwarze Loch ist von einer Akkretionsscheibe aus heißer Materie umgeben, die einst der Stern war, und aus der Rotationsachse des Schwarzen Lochs strömt ein Strahl.

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Kataklysmische Dämmerung

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

Beschreibung: Bringt diese Dämmerung eine neue Nova? Solche Überlegungen könnten Menschen der Zukunft anstellen, die auf einem Planeten leben, der in einem kataklysmischen veränderlichen Doppelsternsystem kreist. Bei kataklysmischen Veränderlichen fällt Gas von einem großen Stern auf eine Akkretionsscheibe um einen massereichen, aber kompakten weißen Zwergstern. Explosive kataklysmische Ereignisse wie eine Zwergnova können stattfinden, wenn ein Klumpen Gas im Inneren der Akkretionsscheibe über eine gewisse Temperatur erhitzt wird. An diesem Punkt fällt der Klumpen schneller auf den Weißen Zwerg und landet mit einem hellen Blitz. Solche Zwergnovae zerstören keinen der beide Sterne und können in unregelmäßigen Zeitabständen von wenigen Tagen bis zu zehn Jahren stattfinden. Zwar ist eine Nova weniger energiereich als eine Supernova, doch wenn wiederholte Novae nicht heftig genug sind, um mehr Gas auszustoßen als einfällt, sammelt sich die Masse auf dem Weißen Zwergstern an, bis dieser die Chandrasekhargrenze überschreitet. An diesem Punkt könnte eine Höhle im Vordergrund wenig Schutz bieten, da der gesamte Weiße Zwergstern in einer gewaltigen Supernova explodiert.

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Aussicht in der Nähe eines Schwarzen Lochs

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Illustrationscredit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Im Zentrum eines wirbelnden Strudelbeckens aus heißem Gas sitzt wahrscheinlich ein Ungeheuer, das noch nie direkt zu sehen war: ein Schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichts, das vom wirbelnden Gas abgestrahlt wird, lassen häufig nicht nur auf die Anwesenheit eines Schwarzen Lochs schließen, sondern auch auf wahrscheinliche Eigenschaften. Man fand heraus, dass das Gas, das beispielsweise GRO J1655-40 umgibt, ein ungewöhnliches Flackern aufweist, mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde. Bei einer vorhergehenden Massenabschätzung für das Zentralobjekt von sieben Sonnenmassen kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein Schwarzes Loch erklärt werden, das sehr schnell rotiert. Welche physikalischen Mechanismen das Flackern – und eine langsamere quasiperiodische Schwingung – in Akkretionsscheiben verursacht, die Schwarze Löcher und Neutronensterne umgeben, wird noch erforscht.

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Die wolkigen Kerne aktiver Galaxien


Bildcredit: NASA’s GSFC, W. Steffen (UNAM)

Beschreibung: Wie sieht es aus, wenn man ins Zentrum einer aktiven Galaxie reist? Vermutlich enthalten die meisten Galaxienzentren Schwarze Löcher, Millionen Mal massereicher als unsere Sonne. Die Räume, die diese sehr massereichen Schwarzen Löcher umgeben, sind jedoch vielleicht alles andere als ruhig, sie flackern in vielen Farben, daher trägt die gesamte Objektklasse die Bezeichnung „Aktive galaktische Kerne“ (AGK).

Dieses Video zeigt, wie ein aktiver galaktischer Kern aus der Nähe aussehen könnte. AGK besitzen üblicherweise massereiche Akkretionsscheiben, die das zentrale Schwarze Loch speisen, und mächtige Strahlen schießen elektrisch geladene Materie weit ins umgebende Universum.

Wolken aus Gas und Staub umkreisen die zentralen Schwarzen Löcher, und in jüngster Zeit erkannte man, dass diese so dicht sind, dass sie sogar gelegentlich die alles durchdringenden Röntgenstrahlen ausblenden, sodass sie uns nicht erreichen. Solche Trübungen des Röntgenlichtes können Stunden oder Jahre dauern und wurden bei der Analyse von Daten entdeckt, die im Laufe von mehr als einem Jahrzehnt vom RossiX-ray-Timing-Explorer (RXTE) der NASA gewonnen wurden.

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Schwere Strahlen eines Schwarzen Lochs in 4U1630-47

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Illustrationscredit: NASA, CXC, M. Weiss

Beschreibung: Woraus bestehen die Strahlen eines Schwarzen Lochs? Viele Schwarze Löcher in Sternsystemen sind sicherlich von Scheiben aus Gas und Plasma umgeben, das durch Gravitation von einem nahe gelegenen Begleitstern eingesaugt wird. Ein Teil dieser Materie endet, nachdem sie sich dem Schwarzen Loch genähert hat, indem sie vom Sternsystem in Form mächtiger Strahlen ausgestoßen wird, die von den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs ausströmen. Aktuelle Hinweise lassen den Schluss zu, dass diese Strahlen nicht nur aus Elektronen und Protonen bestehen, sondern auch die Kerne schwerer Elemente wie Eisen und Nickel enthalten. Die Entdeckung wurde im System 4U1630-47 gemacht, und zwar mithilfe einer kompakten, von CSIRO betriebenen Anordnung an Radioteleskopen im Osten Australiens sowie dem Satelliten XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation in der Erdumlaufbahn. Das Sternsystem 4U1630-47 ist oben als künstlerische Illustration abgebildet, rechts steht ein großer blauer Stern, und von einem Schwarzen Loch im Zentrum der Akkretionsscheibe auf der linken Seite strömen Strahlen aus. Obwohl das Sternsystem 4U1630-47 vermutlich nur ein kleines, wenige Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch enthält, könnten die Folgerungen aus diesen Ergebnissen größer sein: dass größere Schwarze Löcher ebenfalls Strahlen massereicher Kerne in den Kosmos ausstrahlen.

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Rotationsbeschleunigung eines massereichen Schwarzen Lochs

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

Beschreibung: Wie schnell kann sich ein Schwarzes Loch drehen? 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, die mehrere überraschende und ungewöhnliche Dinge vorhersagt. Seine vielleicht am einfachsten nachprüfbare Prognose ist jedoch, dass Materie, die in ein mit maximaler Geschwindigkeit rotierendes Schwarzes Loch fällt, zuletzt zuletzt sichtbar sein sollte, wenn sie dieses annähernd mit Lichtgeschwindigkeit umkreist, wie man aus großer Entfernung beobachten kann. Diese Prognose wurde kürzlich von den Statelliten NuSTAR der NASA und XMM der ESA getestet, und zwar durch Beobachtung des sehr massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365. Die Grenze nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bestätigt, indem man die Aufheizung und die Verbreiterung der Spektrallinien von Kernemissionen nahe dem inneren Rand der umgebenden Akkretionsscheibe vermaß. Oben zeigt eine künstlerische Illustration eine Akkretionsscheibe aus normaler Materie, die um ein Schwarzes Loch wirbelt, mit einem Strahl, der aus der Oberseite strömt. Da Materie, die zufällig in das Schwarze Loch fällt, die Rotation eines Schwarzen Lochs nicht so stark beschleunigen sollte, 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

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Credit: April Hobart, CXC

Beschreibung: In der Mitte eines Strudels 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 das Vorhandensein eines schwarzen Loches hin, sondern auch auf dessen wahrscheinliche Eigenschaften. Das Gas zum Beispiel, das GRO J1655-40 umgibt, weist, wie man herausfand, ein ungewöhnliches Flackern mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde auf. Bei einer vorherigen Masse des Zentralobjektes von geschätzten sieben Sonnenmassen kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein schwarzes Loch erklärt werden, das sehr rasch rotiert. Welche physikalischen Wirkungsmechanismen das Flackern sowie eine langsamere, quasi-periodische Schwingung (QPO) in Akkretionsscheiben schlussendlich verursachen – schwarze Löcher und Neutronensterne bleiben weiterhin Gegenstand zahlreicher Untersuchungen.

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Dämmerung vor der Nova

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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

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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 nahe einem schwarzen Loch

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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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