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PUBLIC RELEASE DATE: 23 Februar 2005

Schwarze Löcher in der Radarfalle

Forscher messen mit dem Röntgensatelliten XMM-Newton in der Umgebung der Massemonster relativistische Geschwindigkeiten



Abb. 1: Knstlerische Darstellung des relativistischen Materiestroms um ein schnell rotierendes Schwarzes Loch im Zentrum einer Akkretionsscheibe (orange). Das Licht der Atome, die auf den Beobachter zu fliegen, ist zu krzeren Wellenlngen (blau) verschoben und wesentlich heller als das Licht auf jener Seite, die sich vom Beobachter entfernt (rot).
Bild: Max-Planck-Institut fr extraterrestrische Physik

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Astronomen ist es gelungen, die von Einsteins Relativittstheorie vorhergesagten Effekte im Gravitationsfeld Schwarzer Lcher nachzuweisen. Mit dem europischen Rntgenobservatorium XMM-Newton untersuchten die Forscher unter Leitung von Gnther Hasinger, Direktor am Max-Planck-Institut fr extraterrestrische Physik in Garching bei Mnchen, das Licht des kosmischen Rntgenhintergrunds - die vereinte Strahlung Schwarzer Lcher, die in den Zentren weit entfernter aktiver Galaxien sitzen. Als Indiz diente der "Fingerabdruck" von Eisen: Im addierten Spektrum von rund 100 jungen Milchstraensystemen beobachteten die Wissenschaftler eine verbreiterte, asymmetrische Linie. Deren Form passt exakt zu den Aussagen der Relativittstheorie (Astronomy & Astrophysics, vol. 432(2), Mrz 2005).

Der gesamte Himmel ist von einem diffusen, hoch energetischen Leuchten erfllt: der kosmischen Rntgenhintergrund-Strahlung. In den vergangenen Jahren haben die Astronomen gezeigt, dass diese Strahlung fast vollstndig von einzelnen Objekten stammt. hnliches gelang Galileo Galilei, als er Anfang des 17. Jahrhunderts mit seinem Fernrohr die Milchstrae erstmals in einzelne Sterne auflste. Im Fall des Rntgenhintergrunds handelt es sich um hunderte Millionen Schwarzer Lcher, die in weit entfernten Milchstraensystemen gerade "gefttert" - also mit Materie versorgt - werden. Weil die Schwarzen Lcher dabei an Masse zulegen, sehen wir im Rntgenhintergrund deren Wachstumsphase. Im heutigen Universum stecken massereiche Schwarze Lcher im Zentrum nahezu aller Galaxien.



Abb. 2: Das mit dem ESA-Satelliten XMM-Newton gemessene mittlere Rntgenspektrum von etwa 100 aktiven Galaxien des kosmischen Hintergrunds. Das Licht wurde zunchst auf das Ruhesystem unserer Milchstrae korrigiert und dann addiert. Danach wurde ein einfaches spektrales Modell ohne Linien abgezogen. Das Restspektrum zeigt eine starke, relativistisch verbreiterte Eisenlinie, die auf Materie in unmittelbarer Nhe von Schwarzen Lchern schlieen lsst.
Bild: Max-Planck-Institut fr extraterrestrische Physik

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Wenn Materie in den Schlund eines Schwarzen Lochs strzt, rast sie in dem kosmischen Mahlstrom der Akkretionsscheibe fast mit Lichtgeschwindigkeit herum und heizt sich dabei so stark auf, dass sie kurz vor ihrem endgltigen Verschwinden hoch energetische Strahlung als eine Art letzten Hilfeschrei ausstt. Werden sie im Zentrum aktiver Galaxien gut genhrt, gehren die eigentlich unsichtbaren Schwarzen Lcher daher zu den leuchtkrftigsten Objekten im All. Die chemischen Elemente in der Materie senden Rntgenlicht bei charakteristischen Wellenlngen aus und lassen sich so durch ihren spektralen Fingerabdruck identifizieren. Besonders gut geeignet sind die Atome des Eisens, da dieses Metall im Kosmos am hufigsten vorkommt, bei sehr hohen Temperaturen besonders intensiv strahlt und im Spektrum eine deutliche Spur (eine Linie) zeigt.

hnlich wie die Polizei Schnellfahrer mittels Radarfallen stellt, weisen Astronomen die extrem hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Eisenatome ein Schwarzes Loch umkreisen, durch eine Wellenlngenverschiebung des Lichts nach. Diesem relativistischen Doppler-Effekt berlagert sich wegen der groen Masse von Schwarzen Lchern die so genannten Gravitationsrotverschiebung - beides Phnomene, wie sie die Relativittstheorie fordert. So postuliert die Spezielle Relativittstheorie, dass schnell bewegte Uhren langsamer laufen; nach der Allgemeinen Relativittstheorie gilt dies auch fr Uhren in der Nhe groer Massen. Auf die elektromagnetische Strahlung bertragen heit das: Die Wellenlnge des von Eisenatomen ausgesandten Lichts wird in den langwelligen, roten Teil des Spektrums verschoben. Dabei ergibt sich eine verbreiterte, asymmetrische Linienform - gleichsam ein verschmierter Fingerabdruck.

Blickt man von der Seite auf die in der Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch herumrasende Materie (Abb. 1), erscheint das Licht der sich auf uns zu bewegenden Eisenatome stark ins Blaue verschoben und wesentlich heller als das jener Atome, die sich von uns entfernen. Die relativistischen Effekte sind umso strker, je nher die Materie dem Schwarzen Loch kommt. Wegen der verzerrten Raumzeit sind sie am strksten bei sehr schnell rotierenden Schwarzen Lchern. In den vergangenen Jahren gelangen Messungen relativistischer Eisenlinien an wenigen, nahe gelegenen aktiven Galaxien; zum ersten Mal wurden die Astronomen 1995 mit dem japanischen Satelliten ASCA fndig.

Nun haben Forscher um Gnther Hasinger, Xavier Barcons vom spanischen Instituto de Fsica de Cantabria und Andy Fabian von der britischen Universitt Cambridge den oben beschriebenen relativistisch verschmierten Fingerabdruck der Eisenatome auch im Rntgenhintergrund aufgesprt, also im Licht von Schwarzen Lchern in den Zentren weit entfernter Galaxien (Abb. 2). Dazu richteten die Forscher das Observatorium XMM-Newton der europischen Raumfahrtagentur ESA insgesamt mehr als 500 Stunden auf einen Himmelsauschnitt in der Konstellation Groer Wagen.

Wegen der Ausdehnung des Universums bewegen sich die Galaxien umso schneller von uns fort, je weiter entfernt sie sind. Diese unterschiedlich hohen Fluchtgeschwindigkeiten lassen die Spektrallinien bei verschiedenen Wellenlngen erscheinen. Daher mussten die Astronomen das Rntgenlicht smtlicher Galaxien zunchst auf das Ruhesystem unserer Milchstrae korrigieren und erhielten damit eine absolute Bezugsgre. Dafr wurden mit dem amerikanischen Keck-Teleskop auf Hawaii Geschwindigkeitsmessungen fr mehr als 100 Objekte durchgefhrt. Als die Forscher deren Licht addiert hatten, zeigte sich ein unerwartet starkes Signal - und die charakteristisch verbreiterte Form der Eisenlinie.

Aus der Strke des Rntgensignals schlossen die Astronomen unter anderem auf die Anzahl der Eisenatome innerhalb der Materie. berraschenderweise ist die chemische Hufigkeit von Eisen im "Futter" dieser jungen Schwarzen Lcher etwa dreifach grer als in unserem wesentlich spter entstandenen Sonnensystem. Die Zentren der Galaxien im frhen Universum hatten also eine auerordentlich effiziente Methode, Eisen zu produzieren - mglicherweise, weil in aktiven Galaxien besonders viele massereiche Sterne die chemischen Elemente bis hin zum Eisen vergleichsweise schnell erbrten.

Die Breite der Linie lsst darauf schlieen, dass die Eisenatome dem Schwarzen Loch sehr nahe kommen und deshalb die meisten Schwarzen Lcher im Weltall vermutlich schnell rotieren. Denn diese Schwarzen Lcher reien den sie umgebenden Raum mit wie ein Rhrwerk den Teig. Deshalb kann Materie, die in der selben Richtung um ein Schwarze Loch fliegt, nher an das Massemonster gelangen, ohne hineinzufallen. Und so sieht man hier hhere Geschwindigkeiten und eine grere Gravitationsrotverschiebung. Dieser Befund ergibt sich auch, wenn man das Licht im Rntgenhintergrund mit der gesamten Masse der "schlafenden" Schwarzen Lcher in den Zentren der Galaxien vergleicht, wie das krzlich mehrere Forschergruppen getan haben.

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Verwandte Links:

[1] http://www.edpsciences.org/articles/aa/pdf/press-releases/PRAA200504.pdf

Originalverffentlichung:

Alina Streblyanska, Gnther Hasinger, Alexis Finoguenov, Xavier Barcons, Silvia Mateos, Andy Fabian
XMM-Newton observations of the Lockman Hole: III. A relativistic Fe line in the mean X-ray spectra of type-1 and type-2 AGN
Astronomy & Astrophysics, vol. 432(2), March III, 2005