Neuer Entfernungsrekord für Schwarze Löcher

27.01.2010 - (idw) Max-Planck-Institut für Astronomie

ESO 04/10 - Pressemitteilung Wissenschaft: Mit Hilfe des Very Large Telescope der ESO haben Astronomen in einer anderen Galaxie das fernste bislang bekannte Schwarze Loch entdeckt, das als Überrest eines explodierenden Sterns entstanden ist. Seine Masse von mehr als 15 Sonnenmassen ist die zweitgrößte bislang nachgewiesene Masse für Schwarze Löcher dieser Art. Das Schwarze Loch ist Teil eines Doppelsternsystems, dessen anderer Partner ebenfalls zu einem Schwarzen Loch werden wird. Diejenigen stellaren Schwarzen Löcher - Überreste von Sternexplosionen [1] -, die Astronomen in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, gefunden haben, sind mit Massen bis zum Zehnfachen der Masse unserer Sonne sicherlich keine Leichtgewichte. Allerdings sind in anderen Galaxien einige deutlich größere stellare Schwarze Löcher nachgewiesen worden. Nun wurde ein neues Exemplar mit einer Masse von mehr als fünfzehn Sonnenmassen entdeckt - erst das dritte Schwarze Loch mit einer so hohen Masse.

Das neuentdeckte Schwarze Loch befindet sich in einer Spiralgalaxie mit der Katalognummer NGC 300, rund sechs Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. "Dies ist das bislang entfernteste stellare Schwarze Loch, dessen Masse bestimmt werden konnte, und das erste Mal, das wir ein solches Objekt außerhalb unserer kosmischen Nachbarschaft, der lokalen Gruppe [von Galaxien], nachweisen konnten", so Paul Crowther, Professor für Astrophysik an der Universität Sheffield und Erstautor des Fachartikels, der das neue Ergebnis vorstellt. Partner des Schwarzen Loches ist ein so genannter Wolf-Rayet-Stern, der ebenfalls rund 20 Mal soviel Masse besitzt wie die Sonne. Ein Wolf-Rayet-Stern ist ein Stern, der gegen Ende seines Sternenlebens einen Großteil der Materie aus seinen äußeren Schichten abstößt, bevor er als Supernova explodiert - und seine Zentralregion zu einem Schwarzen Loch kollabiert.

Die Entdeckung vollzog sich in mehreren Schritten. Zunächst hatte das Röntgenobservatorium XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) das damals noch nicht identifizierte Schwarze Loch als stärkste Röntgenquelle der Galaxie NGC 300 nachgewiesen. Im Jahre 2007 unterzog dann ein Röntgenteleskop an Bord des NASA-Satelliten Swift diese Röntgenquelle einer genaueren Untersuchung: "Wir stellten periodisch äußerst starke Röntgenabstrahlungen fest - ein Hinweis darauf, dass dort ein Schwarzes Loch lauert", so Stefania Carpano von der ESA, ein Mitglied des Forscherteams. Dank neuer Beobachtungen mit dem Instrument FORS2, das am Very Large Telescope der ESO installiert ist, konnten die Astronomen diesen Verdacht jetzt bestätigen. Die neuen Daten zeigen, dass dort ein Schwarzes Loch und ein Wolf-Rayet-Stern mit einer Umlaufzeit von 32 Stunden umeinander kreisen. Dabei entzieht das Schwarze Loch seinem Tanzpartner bei jedem Umlauf Materie.

"Die Partner dieses Paares stehen einander sehr nahe", sagt Robin Barnard, ein weiteres Mitglied des Teams. "Es ist uns ein Rätsel, wie diese enge Bindung die stürmischen Entwicklungsphasen, die der Entstehung des Schwarzen Lochs vorangegangen sein müssen, überlebt hat."

Obwohl Astronomen eine Reihe von Systemen kennen, in denen sich ein Schwarzes Loch und ein Stern umkreisen, ist dies erst das zweite Mal, dass ein System aus einem Wolf-Rayet-Stern und einem Schwarzen Loch gefunden wurde. Ausgehend von den bislang bekannten Systemen vermuten die Forscher einen Zusammenhang zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Zusammensetzung seiner Heimatgalaxie: "Wir haben festgestellt, dass sich die massereichsten stellaren Schwarzen Löcher vorwiegend in kleineren Galaxien finden, die weniger 'schwere' chemische Elemente enthalten", so Crowther [2]. "Größere Galaxien wie unsere Milchstraße, die größere Mengen an schweren Elementen enthalten, bringen offenbar nur stellare Schwarze Löcher mit geringerer Masse hervor." Die Astronomen gehen von einem systematischen Zusammenhang aus, bei dem der Gehalt an schwereren Elementen die Entwicklung massereicher Sterne beeinflusst, so dass sie größere Mengen an Hüllenmaterial in den Raum blasen. Das Schwarze Loch, das beim anschließenden Kollaps entsteht, kann dann nur noch weniger Materie in sich vereinigen, und besitzt eine entsprechend geringere Masse.

In weniger als einer Million Jahren wird der Wolf-Rayet-Stern an der Reihe sein, als Supernova zu explodieren und zu einem Schwarzen Loch zu werden. Crowther weiter: "Wenn das System diese zweite Explosion überlebt, werden die Schwarzen Löcher nach einiger Zeit verschmelzen und dabei gewaltige Mengen an Energie in Form von Gravitationswellen aussenden." [3] Bis zur eigentlichen Verschmelzung werden nach der Explosion noch Milliarden von Jahren vergehen. Allerdings gilt, wie Crowther weiter ausführt: "Unsere Studie zeigt, dass Systeme dieser Art sehr häufig sein könnten. Einige davon, die bereits zu einem doppelten Schwarzen Loch geworden sind, könnten sich mit Gravitationswellendetektoren wie LIGO oder Virgo nachweisen lassen." [4]

Endnoten

[1] Stellare Schwarze Löcher sind die Überreste massereicher Sterne. Solche Sterne explodieren gegen Ende ihres Lebens als Supernova, während ihre Kernregionen zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Die Massen solcher Schwarzer Löcher liegen zwischen einigen und einigen Dutzend Sonnenmassen. Bislang konnten rund 20 stellare Schwarze Löcher nachgewiesen werden. Deutlich mehr Masse, nämlich einige Millionen bis Milliarden Sonnenmassen, haben die so genannten supermassereichen Schwarzen Löcher, die sich im Zentrum der meisten Galaxien nachweisen lassen.

[2] Im Sprachgebrauch der Astronomen sind "schwere Elemente" oder "Metalle" alle Elemente, die mehr Masse besitzen als Helium.

[3] Gravitationswellen sind Störungen der Raumzeitgeometrie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Ihre Existenz wird von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Beträchtliche Mengen an Gravitationswellen werden erzeugt, wenn sich extrem starke Gravitationsfelder mit der Zeit hinreichend schnell verändern, wie es beispielsweise beim Verschmelzen zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher der Fall ist. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen - bislang sind nur indirekte Nachweise gelungen - ist eine der großen Herausforderungen, denen sich die Physik in den kommenden Jahren gegenübersieht.

[3] Die interferometrischen Gravitationswellendetektoren LIGO http://www.ligo.org (in den Vereinigten Staaten) und Virgo http://www.virgo.infn.it (in Italien) sind die derzeit größten Detektoren, mit denen der direkte Nachweis von Gravitationswellen versucht wird.

Hintergrundinformationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse werden als P. A. Crowther et al., "NGC 300 X-1 is a Wolf-Rayet/Black Hole binary" in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erscheinen.

Das Forscherteam besteht aus Paul Crowther und Vik Dhillon (Universität Sheffield, Großbritannien), Robin Barnard und Simon Clark (The Open University, Großbritannien), sowie Stefania Carpano und Andy Pollock (ESAC, Madrid).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, und VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.
Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Kontakt

Markus Pössel (ESO Science Outreach Network)
Haus der Astronomie/Max-Planck-Institut für Astronomie
Tel.: (06221) 528-261
E-Mail: eson@mpia.de

Paul Crowther (Erstautor des Fachartikels)
Universität Sheffield, Großbritannien
Tel: +44-114 222 4291
E-Mail: Paul.Crowther@sheffield.ac.uk

Stefania Carpano (Koautorin des Fachartikels)
ESTEC, ESA
Niederlande
Tel.: +31-71-5654827
E-Mail: scarpano@rssd.esa.int
Weitere Informationen: http://www.eso.org/public/germany/press-rel/pr-2010/pr-04-10.html - Webversion der ESO-Pressemitteilung (enthält weiteres Bild- und Videomaterial, inklusive hochaufgelöster Versionen) http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1004/eso1004.pdf - Fachartikel (auf Englisch)