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Forscher bringen Licht in Schwarze Löcher

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Forscher bringen Licht in Schwarze Löcher
Ungewöhnlich massereiches Objekt im Herzen einer kleinen Milchstraße fordert die Theorie heraus

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Showdown in der Galaxis

Wie füttert man gigantische Schwarze Löcher?

Schwarze Löcher als Geburtshelfer der Galaxien

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Bis vor einigen Jahren galten sie eher als faszinierende Kuriositäten oder Stoff für Science-Fiction: schwarze Löcher. Forscher der drei Max-Planck-Institute für Astrophysik und extraterrestrische Physik in Garching sowie für Astronomie in Heidelberg haben Licht ins Dunkel dieser Gravitationsfallen gebracht. Demnach spielten sie offenbar eine wichtige Rolle bei Entstehung und Entwicklung der Galaxien.
Welten im Zusammenstoß: Die Kollision von Galaxien löst nicht nur einen Babyboom unter den Sternen aus. Häufig verschmelzen auch die beiden zentralen schwarzen Löcher zu einem einzigen. Max-Planck-Forscher untersuchen das Wechselspiel von schwarzen Löchern und Galaxien. Bild vergrößern
Welten im Zusammenstoß: Die Kollision von Galaxien löst nicht nur einen Babyboom unter den Sternen aus. Häufig verschmelzen auch die beiden zentralen schwarzen Löcher zu einem einzigen. Max-Planck-Forscher untersuchen das Wechselspiel von schwarzen Löchern und Galaxien. [weniger]

TEXT THOMAS BÜHRKE

Astronomen stießen in den 1960er-Jahren auf sternähnliche Himmelskörper, die wesentlich leuchtkräftiger waren als alle bis dahin bekannten Objekte. Diese sogenannten Quasare (Kurzwort für Quasistellare Radioquellen) strahlten in einem Gebiet, das nicht größer als unser Sonnensystem ist, bis zu zehntausendmal mehr Energie ab als sämtliche hundert Milliarden Sterne unserer Milchstraße zusammen. Später wurde klar, dass die Quasare ungewöhnlich helle und kompakte Zentralregionen von Galaxien sind, die sich wegen ihrer unübertroffenen Leuchtkraft über Milliarden von Lichtjahren hinweg beobachten lassen.

Auch eine Theorie zur Erklärung dieses enormen Energieausstoßes ließ nicht lange auf sich warten. Und sie gilt im Großen und Ganzen noch heute: Demnach ruht im Zentrum des Quasars ein gigantisches schwarzes Loch. Dieses zieht aus der Umgebung Materie an, die sich zunächst in einer Scheibe ansammelt und es umkreist. Aufgrund von Reibung heizt sich das Gas auf, verliert an Energie und nähert sich auf spiralförmigen Bahnen dem schwarzen Loch, bis es schließlich darin verschwindet wie Wasser in einem Abfluss. Diese heiße Gasscheibe ist für das Quasar-Leuchten verantwortlich und sie „füttert“ das schwarze Loch und lässt es wachsen.

In den folgenden Jahrzehnten wurde dann immer deutlicher, dass schwarze Löcher nicht nur in den Zentren von Quasaren sitzen, sondern vermutlich in jeder Galaxie. Auch in unserer Heimatgalaxie befindet sich eine solche Schwerkraft falle (MaxPlanckForschung 4/2002, Seite 56 ff.). Die zentralen schwarzen Löcher sind zwischen etwa einer Million und mehreren Milliarden Sonnenmassen schwer. Und die sie umgebenden Gasscheiben können unterschiedlich stark strahlen, wobei die aktuelle Wachstumsrate die Helligkeit bestimmt: Je mehr Materie das schwarze Loch aufnimmt, desto heller leuchtet die Scheibe.

Strenger Zusammenhang zwischen den Massen

Die Erkenntnis, dass jede Galaxie ein schwarzes Loch besitzt, war zwar sehr bemerkenswert. Doch die Astronomen rätselten, auf welche Weise diese Giganten die Entwicklung oder gar die Entstehung der Galaxien beeinflusst haben könnten. Sie blieben mehr oder weniger ein Kuriosum – wenngleich auch ein sehr faszinierendes.

Bewegung in diese Sache brachte dann eine Entdeckung vor knapp zehn Jahren. Mehrere Forscherteams hatten eine strenge Korrelation zwischen den Massen der zentralen schwarzen Löcher und der sie umgebenden Sterne gefunden.

Demnach steckt in dem Sternhaufen etwa tausendmal mehr Masse als im schwarzen Loch. Das gilt für unterschiedliche Galaxientypen und erstreckt sich im Massenbereich über etwa drei Größenordnungen. „Diese Entdeckung schlug ein wie eine Bombe“, erinnert sich Fabian Walter vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie.

Auf den ersten Blick erscheint es völlig logisch, dass massereiche schwarze Löcher mehr Sterne um sich scharen als massearme. Doch die Sache ist komplizierter. Die zentralen Sternansammlungen in einer Spiralgalaxie, auch Bulge (englisch für Bauch oder Wulst) genannt, weisen Radien von mehreren tausend Lichtjahren auf. Die  Schwerkraftwirkung eines schwarzen Lochs erstreckt sich jedoch nur auf eine Umgebung von wenigen Lichtjahren. Sie ist also viel zu klein, um auf alle Mitglieder des umgebenden Sternhaufens einwirken zu können. Salopp gesagt: Die allermeisten Sterne im Bulge „spüren“ den Giganten in ihrer Mitte überhaupt nicht. Wie aber kommt dann diese Massenrelation zustande?

„Wir sehen darin ein Anzeichen für eine gemeinsame Entwicklung der schwarzen Löcher und der Muttergalaxien, in denen sie sich befinden“, sagt Guinevere Kauffmann vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. Viele Fragen drängten sich auf: Kontrolliert das schwarze Loch das Wachstum der Galaxie? Oder begrenzt die Galaxie irgendwie die Masse ihres Zentralobjekts? Wachsen schwarze Löcher und Galaxien gemeinsam in einer Art symbiotischer Beziehung? „Diese Fragen konnten nur durch eine genaue Untersuchung des Wachstumsprozesses von schwarzen Löchern und Galaxien beantwortet werden“, sagt Kauffmann.

 
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