Das Rätsel der Ringe aus Schwarzen Löchern

16. Februar 2011 von Andreas Müller in Schwarze Löcher

Der Farben- und Formenreichtum der Natur ist in der Tat überwältigend. Als Naturwissenschaftler fasziniert mich daran, dass es diesen Reichtum sowohl im Kleinen, im alltäglich Greifbaren, aber auch im ganz Großen gibt. Die Astronomie beschenkt uns täglich mit Bildern, die nicht nur von herausragender Schönheit sind, sondern deren Verständnis über ihr Zustandekommen uns einfach nur ein verzücktes "Wow!" über die Lippen kommen lässt. Um ein solches Bild soll es jetzt gehen und ich zeige es hiermit einfach mal:

BILD: Hubble-Foto der wechselwirkenden Ringalaxien Arp 147 (1)

Fotos eines ungewöhnlichen Galaxienpaars

Galaxien sind die größten gebundenen Systeme im Universum. Die größeren Galaxien haben Durchmesser von einigen hunderttausend Lichtjahren und bestehen aus einigen hundert Milliarden Sternen, leuchtendem Gas und schwarzem, kaltem Staub - und manchmal, da kommen sich Galaxien so nahe, dass sie zusammenstoßen, besser, sich durchdringen. Dabei verändern sich die Galaxien in ihrer Gestalt und Farbigkeit.

Das Foto oben ist genau ein solcher Schnappschuss, aufgenommen im Jahr 2008 mit dem Weltraumteleskop Hubble, also eine Aufnahme im sichtbaren, optischen Bereich. Das Objekt hört auf dem Namen Arp 147 und befindet sich im Sternbild Walfisch (Cetus). Wer Bilder von Galaxien kennt weiß, dass hier etwas nicht stimmt. Die Galaxien haben eine sehr ungewöhnliche Form und Struktur. Genau das kam durch den Zusammenstoß, wie eine Analyse des Bildes und geeignete Computermodelle fürdie Dynamik von Galaxien zeigen. Eine Spiralgalaxie hatte einen Unfall mit einer elliptischen Galaxie.

BILD: Arp 147, Chandra 2011 (2)

Erneute Aufmerksamkeit durch ein Röntgenbild

Arp 147 ist schon länger bekannt. Das erstarkende Interesse der letzten Tage kam durch eine Pressemeldung zu neuen Beobachtungen mit dem amerikanischen NASA-Röntgenteleskop Chandra. Arp wurde fast 12 Stunden lang mit Chandras Röntgenaugen fixiert und dabei fand man etwas Erstaunliches. Chandra nahm hier energiereiche Röntgenstrahlung im Energieband von 0,5 bis 6 keV auf - dieser Energiebereich liegt leicht unterhalb der Energie beim medizinischen Röntgen.

Nun,was sieht man auf dem Röntgenbild? Schon als Laie erkennt man mehrere "Flecken", von denen einige rechts einen fast vollständigen Ring bilden. Überlagert man optisches HST- und Röntgen-Chandra-Bild, so stellt man fest, dass der optische Ring genau mit den Röntgen-Flecken zusammenpasst. Was ist das? Und was sind die anderen Röntgen-Flecken links?

Astronomische Detektivarbeit

Um das beantworten zu können, brauchen wir mehr Informationen. Hier kommen sie.

Spur 1: Röntgenastronomen können für jeden Flecken die Helligkeit angeben. Astrophysiker meinen eine bestimmte Art von Helligkeit, die sie Leuchtkraft nennen. Die Röntgenquellen im Chandra-Foto von Arp 147 haben Leuchtkräfte zwischen 1,4 und 7 x 10^39 erg/s. Leuchtkräfte haben die Einheit einer physikalischen Leistung, also Watt, was identisch ist mit Joule pro Sekunde (J/s). Astrophysiker benutzen die Einheiten gerne im cgs-System (cgs = centimeter, gramm, second), so dass aus den J/s nun erg/s werden. Es gilt 1 J = 10^7 erg.

10^39 erg/s - ist das viel oder wenig? Es ist verdammt viel! Unsere Sonne hat eine Röntgenleuchtkraft von 10^27 erg/s. Das ist billionenfach schwächer. Also was bitteschön strahlt da so extrem röntgenhell?

Spur 2: Das HST-Bild zeigt bei dem Ring eine auffallende Blaufärbung. Wie Sternenfreunde - zu denen ich die KosmoLogs-Leser sicher zählen darf - wissen, sind junge, massereiche Sterne sehr blau. Sie produzieren in ihrem Innern genug Energie, dass ihre Oberflächen sehr heiß werden - heiß genug, um sehr blau und im UV-Bereich zu leuchten. Wie wäre es daher mit einem UV-Foto von Arp 147? Bitteschön:

BILD: Arp 147, GALEX 2011 (3)

Diese Aufnahme bei einer UV-Wellenlänge von 153 Nanometern wurde 2007 von dem UV-Satelliten GALEX aufgenommen. Der HST-Ring ist offenbar verdammt blau und leuchtet recht gleichmäßig hell im UV. Plausible Erklärung: Wir haben ihr eine ringförmige Population junger, blauer Sterne vor der Nase - typischerweise Spektraltypen O und B.

Spur 3: Wann war's? Von den gemessenen Geschwindigkeiten der Galaxien und ihrer Distanz kann abgeschätzt werden, dass die Kollision etwa 20-50 Millionen Jahre her sein muss. Die Dinos auf der Erde waren da schon ausgestorben. Hm, 20-50 Millionen Jahre ist nicht viel für ein Sternenleben. Unsere Sonne strahlt schon 100mal länger, etwa 5 Milliarden Jahre. Allerdings ist unsere Sonne ein Stern vom Spektraltyp G, verhältnismäßig massearm und lebt viel länger. O- und B-Sterne sind massereiche Energieverschwender und erreichen nur ein Alter auf der Skala von Millionen Jahren.

Schlussfolgerung: Das Alter des blauen Rings passt somit hervorragend zu seiner Farbe und die Interpretation, dass wir hier junge Sterne sehen. Aber immer noch unklar ist,was nun die neu entdeckten Röntgenflecken sind.

Dem kommen wir auf die Schliche, wenn wir uns überlegen, was aus massereichen Sternen nach ihrem recht kurzen Leben wird? Klar, sie explodieren in Supernovae und lassen einen kompakten Sternkern übrig, entweder Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Bei beiden stürzt Materie aus der Umgebung auf die kompakten Sternüberreste. Dabei treten extrem heiße und hochenergetische Prozesse auf, so dass Röntgenstrahlung freigesetzt wird. Genau die hat Chandra fotografiert: Ein Gruppenfoto Schwarzer Löcher, die sich hübsch als Ring aufgestellt haben.

Warum ein Ring?

Durch den Zusammenstoß der Galaxien wanderte eine kreisförmige Dichtewelle durch das Gas. In verdichteten Knoten entlang des Rings entstanden Sterne. Der blaue Ring verrät junge Sterne und Sternentstehung, die durch Gasverdichtungen in Galaxienkollision angetrieben wurde.

Bei einer Entfernung von 133 Mpc (430 Mio. Lichtjahre) durchmisst der Ring 11 kpc (35.000 Lichtjahre), ungefähr ein Viertel des Durchmessers der Milchstraße.

Wer drängt da noch auf's Bild?

Neben den acht Röntgenquellen im Ring gibt es etwas abseits des Rings (links) noch eine Punktquelle, wohl auch ein Schwarzes Loch. Ganz links gibt es einen Vordergrundstern, der mit Arp 147 gar nichts zu tun hat und der sich als unscheinbarer Stern der Spektralklasse M hier ins Bild drängt. Dass es Stern ist sieht man dem Flecken so nicht an. Spektroskopiert man ihn allerdings, d.h. zerlegt man sein Licht in Farben, so erkennt der Astronom sofort ein typisches Sternspektrum.

Im Hintergrund links oben lungert ein unbeteiligter Quasar herum, der ebenfalls nichts mit Arp 147 zu tun hat und sich nicht so in den Vordergrund drängen wollte. Dass es ein weiter entfernter Quasar ist, erkennt man ebenfalls am Spektrum, in dem typische Linien weit ins Rote verschoben wurden. Das passiertnur, wenn sich das Objekt viel tiefer im Kosmos befindet.

Schließlich bleibt der größte Röntgenfleck im Chandra-Foto, links, etwas mittig, der weit weg vom Ring ist. Diese Röntgenquelle hat eine Leuchtkraft von 1,4 x 10^40 erg/s. Ihm kommen wir auf die Spur, wenn wir nochmal das HST-Bild darüberlegen. Das offenbart nämlich, dass dieser Fleck übereinstimmt mit dem Zentrum der zweiten Galaxie, die ebenfalls von einem Ring umgeben ist. Der zweite Ring istder ehemalige Kern der Spiralgalaxie, der durch Gezeitenkräfte nach der Kollision mit der Ellipse in eine solche Gestalt verändert wurde. Wie der Zusammenstoß abgelaufen sein könnte, zeigen Computer-Simulationen der Theoretiker (4).

Schwarze Löcher am Fresslimit

Können wir noch mehr zu den Schwarzen Löchern sagen? Ja, hier kommt eine beliebte Formel ins Spiel, die Astrophysiker, die sich mit Schwarzen Löchern befassen, gerne anwenden. Elegant im Fachjargon formuliert nennt man es das Eddington-Kriterium. Betrachtet es man banal, könnte man es Fresslimit Schwarzer Löcher nennen. In der Tat muss es so etwas geben, denn bei der Materieaufsammlung (Akkretion) durch Schwarze Löcher muss sich Materie in ein kleines Nadelöhr zwängen. Dabei kommt es zur enormen Aufheizung des einfallenden Materials und Aussendung von Röntgenstrahlung und anderer Strahlung. Diese wiederum bremst die einfallenden Materie, weil Lichtteilchen (Photonen) einen Impuls besitzen und damit einen Druck ausüben können. Im Extremfall - bei Einfall großer Materiemengen in kurzer Zeit - kann dieser Strahlungsdruck sogar den Materieeinfall stoppen. Diese Grenze heißt Eddington-Limit und ist im Prinzip ein Fresslimit für Schwarze Löcher - mehr geht nicht.

Wir wiegen die Löcher im Chandra-Foto

Nehmen wir für die Schwarzen Löcher im Ring von Arp 147 an, dass sie am Fresslimit Materie aufsammeln, was sich oft als gute Annahme für derartig helle Röntgenquellen herausgestellt hat, so können wir über das Eddington-Kriterium direkt aus den gemessenen Röntgenleuchtkräften die Lochmassen ablesen. Das geht so: Ein Loch mit 100 Sonnenmassen hat eine Eddington-Leuchtkraft von 10^40 erg/s. Für alle anderen Massen folgt die Eddington-Leuchtkraft, indem ich einfach entsprechend skaliere, denn die Eddington-Leuchtkraft geht mit 1/Masse.

So folgen aus den beobachteten Röntgenleuchtkräften die Massen zu 10 bis 100 Sonnenmassen. Es sind demnach stellare Schwarze Löcher. Solche sind typischerweise in Röntgendoppelsternen zu finden - hervorgegangen aus der Explosion eines massereichen Sterns.

Auch das Loch im Zentrum der Ellipse könnte man so wiegen. Es ist aber kein Loch am Eddington-Limit, sondern ein hungerndes Loch, das deutlich unterhalb der Eddington-Grenze Materie aufsammelt. Bei angenommenen 0,001 Eddingtonraten (vgl. Sgr A* in der Milchstraße), einer geringen Materieakkretionsrate, ergibt sich eine Lochmasse von ungefähr 100.000 Sonnenmassen. Es ist also ein supermassereiches Schwarzes Loch.

Lange Rede, kurzer Sinn

Wir fassen prägnant zusammen: Eine Galaxienkollision regt die Sternentstehung an. Aus der Sternentstehung gehen u.a. massereiche, kurzlebige, blaue Sterne hervor. Die massereichen Sterne explodieren nach verhältnismäßig kurzer Zeit und lassen punktförmige Röntgenquellen zurück: viele, kleine bis mittelschwere Schwarze Löcher.

Kein Einzelfall

Arp 147 steht für eine Kategorie, die man „Kollisions-Ringgalaxien“ (engl. collisional ring galaxies) getauft hat. Die Ringgalaxien treten häufiger auf und es sind mehr als 100 bekannt. Es gibt andere bekannte Beispiele, wie Arp 284 oder Arp 318 und vor allem die Wagenrad-Galaxie (Cartwheel galaxy), die ebenfalls von Chandra 2001 unter die Lupe gewonnen wurde (Press Release 2006).

BILD Cartwheel Multiwellenlängen-Foto; lila: Röntgenstrahlung mit Chandra, blau:UV-Strahlung mit GALEX und rot: Infrarotstrahlung mit Spitzer (5)

Hier das Besondere: Sowohl Arp 284, als auch das Wagenrad zeigen sog. ULXs (engl. ultra-luminous X-ray sources). Das sind außergewöhnlich helle Röntgenquellen mit Leuchtkräften über 2 x 10^39 erg/s. Die Natur der ULXs ist noch nicht ganz klar: Entweder sind es stellare Schwarze Löcher, die weit über dem Eddington-Limit akkretieren; oder es sind deutlich schwerere Schwarze Löcher, sog. mittelschwere Schwarze Löcher (engl. intermediate-mass black holes, IMBH) mit 1000 bis 10.000 Sonnenmassen. Bei diesen höheren Massen müssen die Löcher nicht mehr nahe oder oberhalb der Eddington-Grenze akkretieren - siehe auch mein Buch"Schwarze Löcher", (6).

Offene Fragen

Warum bildeten sich ULXs in der Wagenrad-Galaxie, aber nicht in Arp 147? Diese Frage liegt nach dem bisher Gesagten auf der Hand, aber eine Antwort ist nicht klar. Vielleicht haben die Galaxien-Zusammenstöße in den beiden Vertretern von Ringgalaxien unterschiedliche Formen von Sternentstehung angeregt, nämlich eine Sternentstehungsrate, die im Fall der Wagenrad-Galaxie recht hoch war, aber in Arp 147 nicht ausreichte, um ULXs zu produzieren. Um dieses weitere Rätsel zu lösen brauchen wir mehr Informationen, d.h. mehr Beobachtungen.

Quellen, Literatur und Links:

(1) Credit: HST, NASA/ESA, M. Livio (STScI), 2008

(2) Credit: Rappaport et al. 2011, Veröffentlichung (preprint) "Luminous X-raysources in Arp 147", arXiv:1007.3271,

(3) Credit: Rappaport et al. 2011, Veröffentlichung (preprint) "Luminous X-raysources in Arp 147", arXiv:1007.3271,

(4) Gerber et al. ApJL 399, L51, 1992

(5) Credit: NASA/JPL/Caltech/P.Appleton et al.X-ray: NASA/CXC/A.Wolter & G.Trinchieri et al. (2006)

(6) Buch: "Schwarze Löcher - Die dunklen Fallender Raumzeit", Kap. 3.5, Spektrum Akademischer Verlag (2009)


Ein Kommentar zu “Das Rätsel der Ringe aus Schwarzen Löchern”

  1. Helmut Dannerbauer Antworten | Permalink

    @Andreas

    Servus Andreas,

    hat viel Spass gemacht Deinen Artikel zu lesen:)

    Helmut

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