Letztes Jahr entdeckten Astronomen ein ruhendes Schwarzes Loch in einer fernen Galaxie, das ausbrach, nachdem es einen vorbeiziehenden Stern geschreddert und verzehrt hatte. Jetzt haben Forscher ein charakteristisches Röntgensignal identifiziert, das in den Tagen nach dem Ausbruch beobachtet wurde und von Materie herrührt, die kurz davor steht, in das Schwarze Loch zu fallen.
Dieses verräterische Signal, das als quasi-periodische Schwingung oder QPO bezeichnet wird, ist ein charakteristisches Merkmal der Akkretionsscheiben, die häufig die kompaktesten Objekte im Universum umgeben - weiße Zwergsterne, Neutronensterne und Schwarze Löcher. QPOs wurden in vielen Schwarzen Löchern mit Sternmasse gesehen, und es gibt verlockende Beweise für sie in einigen Schwarzen Löchern, die Massen im Mittelgewicht zwischen dem 100- und 100.000-fachen der Sonnenmasse aufweisen können.
Bis zu dem neuen Befund waren QPOs nur um ein supermassives Schwarzes Loch herum entdeckt worden - der Typ, der Millionen von Sonnenmassen enthält und sich in den Zentren von Galaxien befindet. Dieses Objekt ist die Seyfert-Galaxie REJ 1034 + 396, die in einer Entfernung von 576 Millionen Lichtjahren relativ nahe liegt.
„Diese Entdeckung erweitert unsere Reichweite bis zum innersten Rand eines Milliarden Lochs entfernten Schwarzen Lochs, was wirklich erstaunlich ist. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Natur der Schwarzen Löcher zu erforschen und Einsteins Relativitätstheorie zu einer Zeit zu testen, als das Universum ganz anders war als heute “, sagte Rubens Reis, Einstein-Postdoktorand an der Universität von Michigan in Ann Arbor. Reis leitete das Team, das das QPO-Signal mithilfe von Daten der umlaufenden Suzaku- und XMM-Newton-Röntgenteleskope aufdeckte. Dieser Befund wurde in einem heute in Science Express veröffentlichten Artikel beschrieben.
Die als Swift J1644 + 57 bekannte Röntgenquelle - nach ihren astronomischen Koordinaten im Sternbild Draco - wurde am 28. März 2011 vom NASA-Satelliten Swift entdeckt. Es wurde ursprünglich angenommen, dass es sich um eine häufigere Art von Ausbruch handelt, die als Gammastrahlen-Burst bezeichnet wird, aber das allmähliche Ausblenden stimmte mit nichts überein, was zuvor gesehen worden war. Die Astronomen kamen bald auf die Idee, dass das, was sie sahen, die Folgen eines wirklich außergewöhnlichen Ereignisses waren - das Erwachen eines schlafenden schwarzen Lochs einer fernen Galaxie, als es einen vorbeiziehenden Stern zerfetzte und verschlang. Die Galaxie ist so weit entfernt, dass das Licht des Ereignisses 3,9 Milliarden Jahre wandern musste, bevor es die Erde erreichte.
Videoinfo: Am 28. März 2011 entdeckte Swift der NASA intensive Röntgenfackeln, die vermutlich durch ein Schwarzes Loch verursacht wurden, das einen Stern verschlingt. In einem hier abgebildeten Modell taucht ein sonnenähnlicher Stern auf einer exzentrischen Umlaufbahn zu nahe am zentralen Schwarzen Loch seiner Galaxie auf. Etwa die Hälfte der Masse des Sterns speist eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, die wiederum einen Teilchenstrahl antreibt, der Strahlung zur Erde strahlt. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab der NASA
Der Stern erlebte intensive Gezeiten, als er seinen nächsten Punkt zum Schwarzen Loch erreichte und schnell auseinandergerissen wurde. Ein Teil seines Gases fiel auf das Schwarze Loch und bildete eine Scheibe um es herum. Der innerste Teil dieser Scheibe wurde schnell auf Temperaturen von Millionen Grad erhitzt, die heiß genug waren, um Röntgenstrahlen zu emittieren. Gleichzeitig bildeten sich durch noch nicht vollständig verstandene Prozesse entgegengesetzt gerichtete Strahlen senkrecht zur Scheibe in der Nähe des Schwarzen Lochs. Diese Jets strahlten Materie mit Geschwindigkeiten von mehr als 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entlang der Spinachse des Schwarzen Lochs nach außen. Einer dieser Jets zeigte gerade auf die Erde.
Neun Tage nach dem Ausbruch beobachteten Reis, Strohmayer und ihre Kollegen Swift J1644 + 57 mit Suzaku, einem Röntgensatelliten der Japan Aerospace Exploration Agency unter Beteiligung der NASA. Ungefähr zehn Tage später starteten sie eine längere Überwachungskampagne mit dem XMM-Newton-Observatorium der Europäischen Weltraumorganisation.
„Weil sich die Materie im Jet so schnell bewegte und fast in unsere Sichtlinie geneigt war, verstärkten die Relativitätseffekte das Röntgensignal so stark, dass wir den QPO erfassen konnten, der sonst in so großer Entfernung schwer zu erkennen wäre ", Sagte Tod Strohmayer, Astrophysiker und Mitautor der Studie im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Md.
Wenn sich heißes Gas in der innersten Scheibe in Richtung eines Schwarzen Lochs windet, erreicht es einen Punkt, den Astronomen als innerste stabile Kreisbahn (ISCO) bezeichnen. Je näher das Schwarze Loch kommt und Gas schnell in den Ereignishorizont eintaucht, der Punkt ohne Wiederkehr. Das nach innen spiralförmige Gas neigt dazu, sich um den ISCO zu sammeln, wo es enorm erhitzt wird und eine Flut von Röntgenstrahlen ausstrahlt. Die Helligkeit dieser Röntgenstrahlen variiert in einem Muster, das sich in nahezu regelmäßigen Abständen wiederholt und das QPO-Signal erzeugt.
Die Daten zeigen, dass der QPO des Swift J1644 + 57 alle 3,5 Minuten wechselt, wodurch seine Quellregion zwischen 4 und 9,3 Millionen km von der Mitte des Schwarzen Lochs entfernt liegt. Die genaue Entfernung hängt davon ab, wie schnell das Schwarze Loch ist dreht sich. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die maximale Entfernung beträgt nur etwa das Sechsfache des Durchmessers unserer Sonne. Die Entfernung von der QPO-Region zum Ereignishorizont hängt auch von der Rotationsgeschwindigkeit ab, aber für ein Schwarzes Loch, das sich mit der Maximum-Rate-Theorie dreht, befindet sich der Horizont direkt innerhalb des ISCO.
"QPOs senden uns Informationen vom Rand des Schwarzen Lochs aus, wo die Auswirkungen der Relativität am extremsten werden", sagte Reis. "Die Fähigkeit, über eine so große Distanz Einblicke in diese Prozesse zu gewinnen, ist ein wirklich schönes Ergebnis und vielversprechend."
Bildunterschrift: Diese Abbildung zeigt die Hauptmerkmale von Swift J1644 + 57 und fasst zusammen, was Astronomen darüber herausgefunden haben. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
