Tanz der Schwarzen Löcher

Zwei umeinander rotierende supermassereiche Schwarze Löcher in einer fernen Galaxie hat ein internationales Forscherteam entdeckt, zu dem auch Stefanie Komossa vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie gehört. Es ist das erste Mal, dass ein solches Paar von Schwarzen Löchern in einer „normalen“ Galaxie ohne aktiven Galaxienkern nachgewiesen wurde. Das Paar kam dadurch zum Vorschein, dass es einen ganzen Stern gerade zu dem Zeitpunkt auseinandergerissen hat, als der europäische Röntgensatellit XMM-Newton genau in seine Richtung blickte.

Man nimmt an, dass die meisten großen Galaxien im Universum mindestens ein massereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum aufweisen. Zwei Schwarze Löcher in ihrem Inneren sind der eindeutige Beweis dafür, dass eine Galaxie durch die Verschmelzung („merger“) von zwei Galaxien entstanden ist. Das Aufspüren von Systemen mit jeweils zwei supermassereichen schwarzen Löchern gibt somit den Astronomen Erkenntnisse darüber, wie die Galaxien im Universum sich zu ihrem heutigen Erscheinungsbild in Ausdehnung und Gestalt entwickelt haben.

Bis heute konnten nur eine Handvoll Kandidaten für Paare von supermassereichen Schwarzen Löchern gefunden werden, die in den Zentren von Galaxien in geringem Abstand umeinander rotieren. Bisher war das ausschließlich in aktiven Galaxienkernen der Fall, in denen die Schwarzen Löcher ständig Gaswolken auseinanderreißen, bevor sie vollständig im Zentralobjekt verschwinden.

Im Gefolge dieses Akkretionsprozesses erhitzt sich das Gas soweit, dass es in zahlreichen Wellenlängenbereichen bis hin zur energiereichen Röntgenstrahlung aufleuchtet. Das führt zu einem ungewöhnlich leuchtkräftigen Zentralbereich dieser Galaxien, die man auch als „aktive Galaxien“ oder „aktive Galaxienkerne“ (Active Galactic Nuclei, AGN) bezeichnet. Die neue Entdeckung, über die Fukun Liu von der Peking-Universität in China und seine Kollegen berichten, ist dewegen so wichtig, weil hier zum ersten mal ein Paar von supermassereichen Schwarzen Löchern in einer nicht aktiven Galaxie gefunden wurde.

„Es könnte eine ganze Population von nicht aktiven Galaxien geben, die binäre Schwarze Löcher in ihren Zentren aufweisen”, sagt Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Aber der Nachweis ist eine sehr schwierige Aufgabe, da hier keine Gaswolken zur regelmäßigen „Fütterung“ der Schwarzen Löcher beitragen und die Kernbereiche dieser Galaxien somit dunkel bleiben.

Deshalb bleibt den Astronomen nur eine einzige Hoffnung, diese Schwarzen Löcher nachzuweisen. Sie müssen im richtigen Moment auf die richtige Stelle schauen, und zwar gerade dann, wenn eines dieser Schwarzen Löcher aktiv wird, indem es einen Stern auseinanderreißt, der ihm zu nahe gekommen ist. Einen solchen Vorgang bezeichnet man als „Tidal Disruption Event“ (Zerreißung des Sterns durch Gezeitenkräfte). Im Zuge dieses Ereignisses erfolgt ein starker Ausbruch von Röntgenstrahlung.

In einer aktiven Galaxie wird das zentrale schwarze Loch kontinuierlich durch Gaswolken gefüttert. In einer ruhigen Galaxie erfolgt hingegen die Aufnahme von Materie nur sporadisch durch ganze Sterne, die der Zentralquelle zu nahe kommen. Ein solcher Vorgang tritt nur unregelmäßig auf und ist unmöglich vorherzusagen. Um die Chancen zu erhöhen, ein derartiges Ereignis nun doch aufzuspüren, nutzen die Forscher den Röntgensatelliten XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur ESA auf neuartige Weise.

Normalerweise nimmt das Röntgenobservatorium Daten von vorgegebenen Positionen am Himmel auf, und zwar jeweils nur eine pro Zeitintervall. Sobald eine Beobachtung abgeschlossen ist, schwenkt das Teleskop zur nächsten Position. Der Trick ist nun, dass während der Schwenkbewegung die Instrumente des Röntgensatelliten eingeschaltet bleiben und weiter aufzeichnen. Auf diese Weise lässt sich eine große Anzahl von zufällig verteilten Positionen am Himmel erfassen. Diese Daten können in Bezug auf bisher unbekannte oder unerwartete Quellen von Röntgenstrahlung am Himmel analysiert werden.

Am 10. Juni 2010 wurde von XMM-Newton ein solches Ereignis in Richtung der Galaxie SDSS J120136.02+300305.5, in etwa zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung aufgezeichnet. Stefanie Komossa und ihre Kollegen hatten die Röntgendaten speziell auf derartige Vorgänge untersucht und waren in der Lage, Nachfolgebeobachtungen der Röntgenstrahlung dieser Galaxie mit den Satelliten XMM-Newton (ESA) und Swift (NASA) binnen weniger Tage anzusetzen.

Die Galaxie gab immer noch Röntgenstrahlung ab. Die Beobachtungen stimmten zunächst voll mit dem erwarteten Erscheinungsbild für das Auseinanderreißen eines Sterns durch ein extrem massereiches Schwarzes Loch überein. Bei der Aufzeichnung der langsam schwächer werdenden Röntgenstrahlung nach einigen Tagen erfolgte aber etwas Überraschendes: Das Röntgensignal fiel zwischen den Tagen 27 und 48 nach der Entdeckung plötzlich unter die Nachweisgrenze. Dann wurde es wieder sichtbar und folgte weiterhin einer erwarteten Abschwächung, als ob nichts geschehen wäre.

Aufgrund der Arbeit von Fukun Liu und Kollegen lässt sich ein solches Verhalten erklären. Liu hat Modellrechnungen von Paaren von Schwarzen Löchern durchgeführt, die genau vorhersagen, dass die Röntgenstrahlung plötzlich erlischt und wenig später wieder messbar wird. Der Grund dafür ist, dass die Gravitation von einem der Schwarzen Löcher den Materiefluss auf das andere unterbricht und damit zeitweise die Brennstoffversorgung für den Ausbruch von Röntgenstrahlung aufhebt. Nach den Rechnungen gibt es zwei mögliche Konfigurationen, die das beobachtete Verhalten der Röntgenstrahlung von J120136 erklären könnten.

In der ersten Konfiguration wird ein Schwarzes Loch von 10 Millionen Sonnenmassen von einem zweiten mit einer Million Sonnenmassen auf einer elliptischen Bahn umkreist. In der zweiten Lösung sind die Massen von beiden Schwarzen Löchern um jeweils einen Faktor 10 geringer, und ihre Bahn ist kreisförmig. In beiden Fällen ist es ein ziemlich enger Abstand: nur 0,6 Milliparsec oder 17 Lichtstunden. Das entspricht gerade mal der Ausdehnung unseres Sonnensystems. Bei diesem geringen Abstand ist das Schicksal des neuentdeckten Paares von Schwarzen Löchern klar vorherbestimmt. Sie werden ihre Umlaufsenergie allmählich abstrahlen und sich so auf einer spiralförmigen Bahn immer weiter annähern, bis sie schließlich in etwa zwei Millionen Jahren zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen.

Nach dem Aufspüren des ersten Kandidaten für ein binäres Schwarzes Loch in einer nicht-aktiven Galaxie ist die Suche nach weiteren Ereignissen dieser Art in vollem Gange. Die systematischen XMM-Newton-Beobachtungen während der Schwenks werden fortgesetzt. Dieser erste Erfolg spornt auch das Interesse für ein Netzwerk von Röntgenteleskopen zur Suche nach solchen Ereignissen am ganzen Himmel an.

MPIfR / PH