Astronomen bestimmen erstmals die Energie des Jets eines Schwarzen Lochs
Schwarze Löcher nehmen ständig Materie aus ihrer Umgebung auf und erzeugen so hochenergetische Strahlung. Doch nicht alle Materie fällt in das Schwarze Loch hinein – ein Teil schießt in eng gebündelten Materiestrahlen weit ins All hinaus. Wie viel Energie diese „Jets“ transportieren, hat jetzt erstmals ein internationales Team von Radioastronomen bei dem 7000 Lichtjahre entfernten Schwarzen Loch Cygnus X-1 gemessen: Etwa zehn Prozent der durch den Einfall von Materie freigesetzten Energie entkommt über die Materiestrahlen. Das stimmt gut mit vorherigen theoretischen Abschätzungen überein, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Astronomy“.
„Jets stellen eine wichtige Rückkopplung zwischen den Materie aufnehmenden Schwarzen Löchern und ihrer Umgebung dar“, erläutern Steve Prabu von der Curtin University in Australien und seine Kollegen die Bedeutung ihrer Beobachtungen. „Ohne diese Rückkopplung können Modelle der kosmischen Entwicklung die beobachteten Eigenschaften von Galaxien nicht reproduzieren.“ Die Materiestrahlen heizen das Gas in Galaxien auf und beeinflussen so die Entstehung neuer Sterne. Es sei daher wichtig, die von den Jets transportierte Energie zu messen, so die Forscher.
Das jedoch ist schwierig, denn dafür benötigen die Forscher detaillierte Aufnahmen der Materiestrahlen. Dazu aber sind die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Galaxien viel zu weit entfernt. Deshalb haben Prabu und seine Kollegen Cygnus X-1 ins Visier genommen, ein zwar kleineres, dafür aber auch näher an der Erde stehendes Schwarzen Loch. Cygnus X-1 war das erste Himmelsobjekt, bei dem die Astronomen sich hundertprozentig sicher waren, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt.
Tatsächlich ist es ein Doppelsystem aus einem blauen Riesenstern, der 22-mal so groß ist wie die Sonne, und einem Schwarzen Loch mit der 21-fachen Sonnenmasse. Die beiden Himmelskörper umkreisen sich alle 5,6 Tage in einem mittleren Abstand von 30 Millionen Kilometern – das entspricht einem Fünftel der Entfernung Erde-Sonne. Von dem Riesenstern strömt ständig Materie zu dem Schwarzen Loch, die sich in einer rotierenden Scheibe ansammelt und aufheizt – auf Temperaturen bis zu über einer Milliarde Grad. Dank dieser gewaltigen Temperatur sendet das Gas starke Röntgenstrahlung aus. Cygnus X-1 gehört zu den ersten astronomischen Röntgenquellen, die Anfang der 1960er Jahre entdeckt wurden.
Während der größte Teil des Gases in der rotierenden Scheibe schließlich in das Schwarze Loch hineinfällt, lenken Magnetfelder einen Teil ab und bündeln ihn zu den Jets, die von den Polen des Schwarzen Lochs aus ins All schießen. Diese Jets haben Prabu und seine Kollegen 18 Jahre lang mit globalen Netzwerken von Radioteleskopen beobachtet. Dabei überlagern die Astronomen die von den einzelnen Radioantennen empfangene Strahlung. Diese „Interferometrie“ verbindet die Antennen gewissermaßen zu einem einzigen Radioteleskop von der Größe der Erde. Auf diese Weise konnte das Team die Bewegung einzelner Verdichtungen in den Materiestrahlen verfolgen.
Als erstes Ergebnis zeigte sich, dass sich die Materie in den Jets mit etwa der halben Lichtgeschwindigkeit bewegt. Doch Prabu und seine Kollegen beobachteten auch, dass sich die Materiestrahlen in ihrer Form verändern: Die Jets „tanzen“, wie es die Forscher ausdrücken. Sie tanzen im Wind: Von der heißen Oberfläche des Riesensterns strömt ständig Gas ins Weltall, und dieser schwankende „Sternwind“ versetzt die Jets in ihre tanzende Bewegung. Prabu und seine Kollegen veranschaulichen den Effekt mit einer von Windböen bewegten Wasserfontäne.
Eine genaue Modellierung der Wechselwirkung von Sternwind und Materiestrahlen lieferte den Forschern schließlich das gesuchte Ergebnis. „Zehn Prozent der Energie, die der Einfall der Materie in das Schwarze Loch erzeugt, wird von den Jets davongetragen“, sagt Prabu. Bei Computer-Simulationen der Strukturentwicklung im Universum sind die Theoretiker bereits von diesem Prozentsatz ausgegangen, so Prabu weiter, „aber es war schwierig, diese Annahme durch Beobachtungen zu bestätigen.“
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Prozesse in der Umgebung Schwarzer Löcher sich überall im Kosmos ähneln, unabhängig davon, ob es sich um kleine Schwarze Löcher wie Cygnus X-1 handelt oder um supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien. Deshalb lasse sich dieses Ergebnis auch auf den Einfluss der großen Schwarzen Löcher auf die Entwicklung von Galaxien übertragen, betonen Prabu und seine Kollegen. Und mit dem in Australien und Südafrika Bau befindlichen „Square Kilometre Array Observatory“ hoffen die Wissenschaftler, ab 2029 auch die Jets in vielen weit entfernten Galaxien beobachten und so den Befund von Cygnus X-1 bestätigen zu können.
Bildquelle: International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR)
