10.01.2019

Sternentod verrät Spin eines schwarzen Lochs

Astronomen analysieren die verräterisch flackernde Röntgenstrahlung.

Nahezu alle großen Galaxien beherbergen in ihren Zentren super­masse­reiche schwarze Löcher mit mehreren Zehn­tausend bis zu mehreren Milliarden Sonnen­massen. Die meisten davon sind aller­dings inaktiv, also nicht von Akkretions­scheiben umgeben, die sie stetig mit Materie füttern und so zur Emission beobacht­barer elektro­magnetischer Strahlung führen. Doch auch ruhige super­masse­reiche schwarze Löcher können dann und wann kurze Phasen von Aktivität zeigen, nämlich bei „Tidal Disruption Events“. Bei einem solchen TDE nähert sich ein normaler Stern dem super­masse­reichen schwarzen Loch so sehr, dass er durch die Gezeiten­kraft – also die differentielle Gravitation – zerrissen wird. Die in das schwarze Loch fallende Stern­materie sorgt dann für einen über Wochen oder Monate andauernden Strahlungs­ausbruch vom Radio- bis zum Röntgen­bereich.

Abb.: Trümmer des zerrissenen Sterns umkreisen das schwarze Loch. Der helle...
Abb.: Trümmer des zerrissenen Sterns umkreisen das schwarze Loch. Der helle Fleck zeigt einen Materie­klumpen, der die flackernde Röntgen­strahlung verursacht. (künstlerische Darstellung; Bild: NASA / CXC / M. Weiss)

Während sich die Masse schwarzer Löcher zumeist gut bestimmen oder zumindest abschätzen lässt, ist über ihren Spin nur wenig bekannt. Wie ein inter­nationales Forscher­team um Dheeraj Pasham vom Massachusetts Institute of Technology in den USA jetzt zeigt, können TDEs jedoch zuverlässig Informationen über den Eigen­dreh­impuls der schwarzen Löcher liefern. Das Team analysierte die von den drei Röntgen-Weltraum­teleskopen Chandra, XMM-Newton und Swift gesammelten Daten eines TDE, das am 22. November 2014 am Himmel aufgeleuchtet war. Die damaligen Beobachtungen hatten gezeigt, dass dieses Ereignis im Zentrum einer 300 Millionen Licht­jahre entfernten Galaxie statt­gefunden hatte und dass das zentrale schwarze Loch eine Masse von knapp einer bis etwas über zehn Millionen Sonnen­massen besitzt.

Bei ihrer Analyse der Röntgenstrahlung stießen Pasham und seine Kollegen auf Schwankungen der Intensität mit einer Periode von etwa 131 Sekunden, die über einen Zeit­raum von 450 Tage andauerten. Die Forscher folgern, dass dieses Flackern den Umlauf der Materie des zerrissenen Sterns um das schwarze Loch wider­spiegelt. Nun kann Materie nicht beliebig nahe um ein schwarzes Loch kreisen. Die allgemeine Relativitäts­theorie liefert einen „innersten stabilen Radius“ für solche Umlauf­bahnen, der für nicht­rotierende schwarze Löcher beim drei­fachen Schwarz­schild­radius liegt.

Bei rotierende schwarzen Löchern hängt der Radius des innersten stabilen Orbits vom Dreh­impuls ab: Je größer der Spin, desto kleiner dieser Radius. Pasham und seine Kollegen gehen von der Annahme aus, dass die Über­reste des Sterns sich auf diesem innersten Orbit bewegen. Aus der Periode der Umlauf­bahn und der Masse können sie dann den Spin des schwarzen Lochs berechnen: Er beträgt demnach siebzig Prozent des maximal möglichen Eigen­dreh­impulses. Dieses Maximum ergibt sich daraus, dass der Ereignis­horizont mit zunehmendem Spin schrumpft. Das Maximum ist erreicht, wenn der Ereignis­horizont auf die Singularität trifft – denn eine „nackte Singularität“ kann es nicht geben.

Die Forscher weisen darauf hin, dass es sich um einen Mindest­wert für den Spin handelt: Wenn sich die Materie nicht auf dem innersten Orbit befindet, müsse dieser – und damit auch der Ereignis­horizont – kleiner und damit der Eigen­dreh­impuls größer sein. „Damit ist es uns erst­mals gelungen, aus dem Röntgen-Flackern eines zerrissenen Sterns den Spin eines super­masse­reichen schwarzen Lochs zu bestimmen“, so Pasham. Die Forscher wollen das Verfahren nun bei weiteren TDEs anwenden und so einen Überblick über die Eigen­dreh­impulse dieser Objekte erhalten. Das könnte den Forschern Informationen über die Entwicklung nicht nur der schwarzen Löcher, sondern auch der Galaxien im kosmischen Rahmen liefern.

Rainer Kayser

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