Pulsare entlarven schwarzes Loch mittlerer Masse

Bislang kennen Astronomen zwei Arten von schwarzen Löchern. Zum einen stellare schwarze Löcher, kollabierte Endstufen der Entwicklung massereicher Sterne. Zum anderen super­massereiche schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. Letztere finden sich als Quasare und aktive Galaxienkerne bereits im jungen Kosmos. Das wirft die Frage auf, wie innerhalb weniger hundert Millionen Jahren aus stellaren schwarzen Löchern mit einigen zehn Sonnenmassen schwarze Löcher mit der mehr­millionen- bis mehr­milliarden­fachen Sonnenmasse entstehen konnten.

Die von den meisten Forschern favorisierte Antwort auf diese Frage geht von einer schnellen Verschmelzung stellarer schwarzer Löcher in den Zentren kompakter Sternen­ansammlungen aus. Wenn sich aus diesen Sternen­ansammlungen dann Galaxien bilden, verschmelzen diese schwarzen Löcher mit jeweils mehreren hundert oder tausend Sonnenmassen sukzessive zu immer masse­reicheren schwarzen Löchern. Das Problem: Bislang gelang es den Astronomen nicht, die Existenz solcher schwarzer Löcher mittlerer Masse nachzuweisen.

Bei der Suche nach diesen Objekten haben die Forscher insbesondere Kugel­stern­haufen ins Visier genommen, kompakte Ansammlungen aus mehreren Hundert­tausend bis Millionen Sternen, in deren Zentralregionen genau die Bedingungen herrschen, unter denen sich gemäß obigem Szenario schwarze Löcher mittlerer Masse bilden sollten. Doch die Suche nach der charakteristischen Radio- und Röntgen­strahlung, die beim Einfall von Materie in schwarze Löcher freigesetzt wird, aus den Zentralregionen von Kugel­sternhaufen erwies sich als erfolglos. Und auch der Versuch, außer­gewöhnlich massereiche Objekte im Zentrum anhand der Dynamik der Sterne in Kugel­sternhaufen nachzuweisen, misslang: Die Daten liefern lediglich obere Grenzen für die Masse zentraler schwarzer Löcher. Mit anderen Worten: Es könnten zwar schwarze Löcher mittlerer Größe vorhanden sein, die Stern­bewegung lässt sich aber ebenso gut ohne solche Objekte erklären.

Bülent Kzltan und Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in den USA, sowie Holger Baumgardt von der University of Queensland in Australien sind nun einen anderen Weg gegangen. Das Forschertrio hat die Bewegung von Pulsaren im 17.000 Lichtjahre entfernten Kugel­sternhaufen 47 Tucanae unter die Lupe genommen. Die von diesen rotierenden Neutronen­sternen ausgesendeten Radio­pulse sind so regelmäßig, das sich aus ihnen über den Dopplereffekt die Beschleunigung im Gravitations­feld des Kugel­sternhaufens messen lässt. Und diese Beschleunigung hängt, wie die drei Wissenschaftler mithilfe numerischer Simulationen zeigen, empfindlicher von einer zusätzlichen Punktmasse im Zentrum des Kugel­sternhaufens ab als das Geschwindigkeits­feld der Sterne.

Der Vergleich zwischen Simulationen und Beobachtungsdaten liefert einen wahrscheinlichsten Wert für die Masse des zentralen schwarzen Lochs von 47 Tucanae von 2200 Sonnenmassen. Die Untergrenze liegt bei 800, die Obergrenze bei 3700 Sonnenmassen. Hält diese Analyse der kritischen Überprüfung durch andere Forscher stand, so wäre es der erste gelungene Nachweis eines schwarzen Lochs mittlerer Masse – und damit ein wichtiges Schritt zur Bestätigung des Szenarios für die Entstehung super­massereicher schwarzer Löcher.

Überraschend bleibt für die Forscher, dass von diesem schwarzen Loch weder Radio- noch Röntgen­strahlung ausgeht. „Im Gegensatz zu unseren Erwartungen ist die Zentral­region des Kugel­sternhaufens also offenbar arm an Gas“, so Loeb und seine Kollegen. Denn wenn Gas in ein schwarzes Loch hineinfallen würde, würde es sich aufheizen und Strahlung aussenden. Ein solcher Mangel an Gas könnte auch erklären, warum die Suche nach der typischen Strahlung schwarzer Löcher aus den Zentral­regionen von Kugel­sternhaufen bislang erfolglos war.

Rainer Kayser

DE