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Astronomie - Ein schwarzes Loch unter der Gravitationslinse

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Ungewöhnliche Beobachtungsmethode enthüllt Vorgänge nahe am Ereignishorizont eines fernen Massemonsters
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In der Umgebung von supermassereichen schwarzen Löchern, die in den Zentren fast aller Galaxien lauern, spielen sich turbulente Vorgänge ab. Sie verschlucken von außen einströmende Materie und erzeugen gleichzeitig Gasstrahlen – sogenannte Jets –, die in zwei entgegengesetzte Richtungen ins All hinausschießen. Forschern des Max-Planck-Instituts für Physik in München und der Universität Genf ist es nun gelungen, die Herkunft energiereicher Gammastrahlung in einem solchen Jet zu lokalisieren: Offenbar entsteht sie ganz in der Nähe des schwarzen Lochs. Möglich wurde diese Entdeckung durch einen zufällig auftretenden Mikro-Gravitationslinseneffekt, der Licht aus verschiedenen Bereichen in der Umgebung des schwarzen Lochs wie ein Vergrößerungsglas selektiv verstärkt.
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Blick auf eine ferne Galaxie: Die Radiokarte (links) zeigt das durch den Gravitationslinseneffekt verzerrte Bild des Blazars PKS 1830-211. Der rechte Ausschnitt ist eine Simulation des Mikro-Gravitationslinseneffekts im Gammabereich; eine direkte Beobachtung des orangefarbenen Rings – er stellt ebenfalls Bilder des Blazars dar – ist wegen seiner geringen Ausdehnung nicht möglich.
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Astronomen kennen viele aktive Galaxien, aus deren Zentren Jets herausschießen. Diese Gasstrahlen zeigen sich im Radiobereich, hin und wieder auch im sichtbaren Licht sowie bei Röntgen- und Gammawellen. Noch weitgehend unklar ist ihr Entstehungsmechanismus. Fest steht aber, dass heißes Gas in Form einer Scheibe das zentrale schwarze Loch umkreist. Vermutlich treten hier auch starke Magnetfelder auf, welche die Teilchen senkrecht zur Scheibe in die Jets hinein beschleunigen.
Direkt beobachten lässt sich diese zentrale Maschinerie wegen der großen Entfernungen von der Erde jedoch nicht. Hier kam Ievgen Vovk vom Max-Planck-Institut für Physik und seinen Genfer Kollegen ein glücklicher Zufall zu Hilfe. Die Forscher nahmen sich eine aktive Galaxie namens PKS 1830-211 vor. Hierbei handelt es sich um einen Blazar – ein seltener Fall, in dem einer der beiden Jets zufällig in Richtung der Erde gerichtet ist, sodass die Astronomen entlang der Längsachse direkt in den Strahl schauen.
Zufällig befindet sich etwa auf halber Strecke zwischen dem Milliarden von Lichtjahren entfernten Blazar und der Erde eine Galaxie. Mit ihrer starken Schwerkraft krümmt sie den Raum um sich herum. Das Licht des dahinter befindlichen Blazars durchquert diese Raummulde und macht einen Umweg – gerade so, als würde es durch eine Linse hindurchlaufen. Dadurch erscheint PKS 1830-211 in Form von zwei Bildern am Himmel; diese sind zudem heller, als es der Blazar ohne diesen Linseneffekt wäre.
Im Radiobereich hatten Astronomen schon früher Intensitätsausbrüche registriert, die auf Vorgänge im Blazar zurückgingen. Weil die Lichtlaufwege der beiden Bilder unterschiedlich lang sind, leuchten diese nach einem Ausbruch nicht gleichzeitig auf, sondern im Abstand von etwa 26 Tagen. Vovk und Kollegen haben nun in den Daten des Large Area Telescope an Bord des Weltraumteleskops Fermi nach solchen Ausbrüchen im Gammastrahlenbereich gesucht.
Die Auflösung des Teleskops reicht hier nicht aus, um die beiden Bilder getrennt abbilden zu können, aber die Astronomen fanden ebenfalls Ausbrüche, die mit nahezu konstanter Verzögerung periodisch auftraten. „Die Periode war etwa so lang wie die im Radiobereich, aber die Verstärkungsfaktoren der Intensität waren viel größer und variabler“, sagt Ievgen Vovk.
Dieses Verhalten sowie weitere Beobachtungsbefunde lassen sich am besten mit einer interessanten Annahme erklären: Die Helligkeitsschwankungen im Gammastrahlenbereich stammen zwar auch von den Ausbrüchen im Blazar, aber sie werden durch den Gravitationslinseneffekt einzelner Sterne in der Vordergrundgalaxie unterschiedlich verstärkt. Dies geschieht immer dann, wenn ein Stern von der Erde aus gesehen zufällig vor dem Gammastrahlen emittierenden Teil des Blazars vorbeizieht.
Die Aufspaltung der hierbei entstehenden Bilder ist unbeobachtbar klein. „Sie entspräche der Größe einer Ameise auf dem Mond“, sagt Vovk. Astrophysiker sprechen vom Mikro-Gravitationslinseneffekt. Aber die Intensitätsverstärkung der Bilder ist mit Faktoren von zwei bis sieben erheblich größer als im Radiobereich. So wird die Gammastrahlenregion von den Sternen gewissermaßen wie durch ein Vergrößerungsglas kurzzeitig hervorgehoben.
Alle Befunde lassen sich im Rahmen des Mikro-Gravitationslinseneffekts am besten mit einer sehr kompakten Gammastrahlenregion erklären, die eine Ausdehnung von einigen zehn Milliarden Kilometern besitzt. Das entspricht in etwa dem Durchmesser unseres Sonnensystems oder dem eines eine Milliarde Sonnenmassen schweren schwarzen Lochs.
„Die Gammastrahlenregion ist nach unseren Erkenntnissen nur wenig größer als das schwarze Loch selbst“, sagt Andrii Neronov von der Universität Genf. Da sich der vom Zentrum ausgehende Jet mit zunehmender Entfernung aufweitet, dürfte die Gammastrahlung ganz in der Nähe des schwarzen Lochs erzeugt werden, also gewissermaßen am Fußpunkt des Jets.
Wie die Strahlung entsteht, ist noch ungeklärt. Nach der gängigsten Theorie sind das schwarze Loch und die Gasscheibe von einem starken Magnetfeld umgeben, in dem Teilchen wie Elektronen bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Diese können mit Lichtteilchen (Photonen) zusammenstoßen. Dabei übertragen sie so viel Energie auf die Partikel, dass diese zu Gamma- oder Röntgenphotonen werden.
Quelle: Max-Planck-Institut für Physik, München
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