Schwarzes Loch im Kugelsternhaufen

Gibt es Schwarze Löcher in Kugelsternhaufen? Seit Jahren wird diese Frage unter den Astronomen kontrovers diskutiert. Ein internationales Forscherteam hat nun eine Röntgenquelle in einem Kugelsternhaufen der Galaxie NGC 4472 im Virgo-Haufen entdeckt. Spektrum und Variabilität sind nach Ansicht der Wissenschaftler ein eindeutiger Beleg dafür, dass es sich bei der Quelle um ein Materie-akkretierendes Schwarzes Loch handelt. Das Team präsentiert seine Beobachtungen und Analysen in der Online-Ausgabe von „Nature“.

Abb.: Die elliptische Galaxie NGC 4472/M49. Von den 30 hellsten Röntgenquellen im Umfeld dieser Galaxie stimmt lediglich die Position einer einzigen mit einem Kugelsternhaufen überein. (Quelle: 2MASS/Caltech/University of Massachussetts)

Kugelsternhaufen enthalten Hunderttausende oder gar Millionen von Sternen auf vergleichsweise engem Raum – ihr Durchmesser beträgt zumeist nur einige zehn Lichtjahre. Im Gegensatz zur normalen Umgebung in einer Galaxie ist deshalb die Wahrscheinlichkeit für enge Begegnungen und Kollisionen zwischen Sternen in Kugelsternhaufen groß. Ob dieser Umstand zur Entstehung großer Schwarzer Löcher führt oder im Gegenteil die Existenz Schwarzer Löcher in Kugelsternhaufen eher unterbindet ist bislang unklar. Theoretische Arbeiten sagen für die zentrale Region der Kugelsternhaufen die Entstehung von Schwarzen Löchern mit dem Tausendfachen der Sonnenmasse durch Kollisionen voraus. In numerische Simulationen dagegen werden praktisch alle entstehenden Schwarzen Löcher durch enge Vorübergänge schnell aus dem Haufen heraus katapultiert.

Thomas Maccarone von der University of Southampton und seine Kollegen aus den USA haben sich deshalb auf die Suche nach verräterischen Strahlungssignalen von Schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen gemacht. Beim Materieeinfall in Schwarze Löcher entsteht charakteristische Röntgenstrahlung. Deshalb verglichen die Forscher die Position von Punktquellen, die vom europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton aufgespürt worden waren, mit den Positionen von optisch beobachteten und spektroskopisch verifizierten Kugelsternhaufen. Im Umfeld der Galaxie NGC 4472 (Messier 49) im 60 Millionen Lichtjahre entfernten Virgo-Galaxienhaufen wurden sie fündig. Die Position eine der Röntgenquellen wich lediglich 0,4 Bogensekunden von der Position eines der hellsten Kugelsternhaufen dieser Galaxie ab.

Mit einer sorgfältigen statistischen Analyse konnten die Forscher ausschließen, dass es sich um eine zufällige Überlagerung einer Röntgenquelle in der Galaxie mit dem Kugelsternhaufen (Wahrscheinlichkeit 0,5 Prozent) oder um die ebenfalls zufällige Überlagerung einer weiter entfernten aktiven Galaxie mit dem Kugelsternhaufen (Wahrscheinlichkeit kleiner als 0,06 Prozent) handelt.

Mit einer Röntgenleuchtkraft von 4×10 ³⁹ erg/s ist die Quelle zudem um ein Vielfaches zu hell für einen Neutronenstern. Und die schnelle Variabilität um einen Faktor 7 in wenigen Stunden schließt nach Ansicht von Maccarone und seinen Kollegen auch den ohnehin unwahrscheinlichen Fall aus, dass es sich um die Überlagerung der Strahlung mehrerer Neutronensterne handelt.

Bleibt also nur ein Schwarzes Loch, in das beständig Materie einfällt. Das Spektrum der Röntgenquelle stimmt gut mit der Strahlung einer Akkretionsscheibe mit einem Innenradius von 4400 Kilometern überein, so die Astronomen. Wenn dieser Innenradius wiederum mit dem innersten stabilen Orbit um das Schwarze Loch übereinstimmt, müsste das Schwarze Loch eine Masse von rund 400 Sonnenmassen besitzen. Allerdings sei auch denkbar, dass es sich um ein stellares Schwarzes Loch mit nur einigen wenigen Sonnenmassen handelt. Über die Entstehungsprozesse von Schwarzen Löchern lässt sich deshalb anhand der Beobachtung eines einzigen Objekts noch keine Aussage machen.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalarbeit:
  T. J. Maccarone et al., A black hole in a globular cluster, Nature (Online-Veröffentlichung, 3. Januar 2007).
  http://www.nature.com/.../abs/nature05434.html
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05434
• XMM-Newton:
  http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23

Weitere Literatur:

• S. R. Kulkarni, P. Hut und S. McMillan, Stellar black holes in globular clusters, Nature 364, 421 (1993).
• S. Sigurdsson und L. Hernquist, Primordial black holes in globular clusters, Nature 364, 423 (1993).
• M. C. Miller und D. P. Hamilton, Production of intermediate-mass black holes in globular clusters, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 330, 232 (2002).