Gieriges schwarzes Loch in der Andromeda-Galaxie scheint hell im Radio-und Röntgenlicht
Diese Animation zeigt die Beobachtungen der hellen Röntgenquelle XMMU J004243.6 412.519 in unserer Nachbargalaxie Andromeda über sechs Monate hinweg. In dieser Region gibt es noch eine Reihe anderer variabler Objekte, aber nur die ULX zeigte den extremen Helligkeitsanstieg im Röntgenbereich und das Radiosignal eines Jets energiereicher Teilchen, der aus der Umgebung um das stellare Schwarze Loch ausgeworfen wird.
Schwarze Löcher sind unsichtbar, da ihre extreme Gravitation sogar Licht verschluckt. Wenn allerdings ein schwarzes Loch Materie aus seiner Umgebung akkretiert, wird dieses Material stark erhitzt und leuchtet hell im Röntgenbereich. Neben der Akkretionsscheibe um das schwarze Loch bilden sich häufig energiereiche Teilchenstrahlen, sogenannte Jets, in denen hochenergetisches Plasma das System verlässt. Diese Jets werden ebenfalls durch die Schwerkraft des schwarzen Lochs angetrieben und emittieren eine starkes Radiosignal. Akkretionsscheiben und Jets sind damit zwei Aspekte des gleichen Phänomens, und indem die Astronomen beides gleichzeitig untersuchen, können sie die physikalischen Vorgänge unter die Lupe nehmen, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs ablaufen .
Ein internationales Astronomenteam aus Instituten in Deutschland, Großbritannien und anderen Ländern haben nun eine besonders interessante Quelle analysiert: im Januar 2012 entdeckte Wolfgang Pietsch vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik eine extrem helle Röntgenquelle („ultraluminous X-ray source“, ULX) im Rahmen einer Beobachtungskampagne der Andromeda-Galaxie. Dies ist erst die zweite ULX in der Andromeda-Galaxie und sie wurde sofort für Nachbeobachtungen im Radiobereich markiert.
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Quelle XMMU J004243.6+412519, ein Röntgendoppelsternsystem mit einem schwarzen Loch stellarer Masse, das Materie von einem weniger massereichen Begleitstern akkretiert. Die Röntgendaten und weitere Radiobeobachtungen deuten auf den Übergang zu einer höheren Akkretionsrate hin und darauf, dass Radiojets entstehen – Teilchenströme aus energiereichem Plasma, die von der Umgebung des schwarzen Loches ausgestoßen werden.
"Diese extrem hellen Röntgenquellen sind für uns Astronomen sehr interessante Objekte, da sie im Röntgenlicht sogar heller strahlen können als eine komplette Galaxie", sagt Wolfgang Pietsch vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. "In diesem Fall haben wir nicht nur den extremen Helligkeitsanstieg im Röntgenbereich gesehen, sondern auch dass sich das Spektrums verändert, was auf eine Änderung in der Akkretionsrate des schwarzen Lochs hindeutet."
Die ULX wurde im Rahmen einer Beobachtungskampagne entdeckt, mit der die Astronomen Novae finden und beobachten wollen. Dies sind Doppelsternsysteme, bei denen ein weißer Zwergstern Material von einem Begleiter akkretiert. Dabei kommt es zu einer nuklearen Explosion auf der Oberfläche des weißen Zwerges und einer erhöhten Emission von weicher Röntgenstrahlung – bisher wurden im Verlauf dieses Programmes mehr als 75 Novae in der Andromedagalaxie entdeckt. Ein interessantes Nebenprodukt ist aber eben auch der Nachweis von Röntgendoppelsternen, in denen sich ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch befindet und die bei viel höheren Röntgenenergien strahlen – im Extremfall als ULX.
Die Astronomen konnten die ULX sechs Monate verfolgen und dabei sehen, wie die Quelle dramatisch heller wurde und wieder verblasste. Die Daten deuten darauf hin, dass das schwarze Loch extrem viel Material aus seiner Umgebung schluckt, die Akkretionsrate dürfte dabei nahe am oder sogar über dem theoretischen Maximum für sphärische Objekte liegen. Derartige Daten erlauben es den Astronomen, mehr darüber zu erfahren, wie sich die Struktur der Akkretionsscheibe bei solch hohen Raten ändert und möglicherweise auch, wodurch die energiereichen Teilchenstrahlen oder „Jets“ ausgelöst werden. Ein derartiger Jet wurde nun in der Tat bei Radiowellenlängen beobachtet – es war das erste Mal, dass ein Radiojet von einem stellaren schwarzen Loch außerhalb unserer eigenen Galaxie entdeckt wurde.
Dieses Bild zeigt die Andromeda-Galaxie (M31) im Röntgenlicht, aufgenommen mit dem XMM-Newton Weltraumobservatorium (wobei die Farben rot, grün, blau und weiß unterschiedliche Energien der Quellen anzeigen.) Diese Daten wurden mit einer Aufnahme bei ferninfraroten Wellenlängen (hier in grau) des Herschel-Weltraumobservatoriums kombiniert.
Die Bildreihe oben zeigt den inneren Bereich der Andromedagalaxie; diese Bilder wurden von XMM-Newton 2012 aufgenommen. Diese Bilder zeigen die Entdeckung und Veränderungen der neuen Quelle XMMU J004243.6+412519 (markiert durch einen Kreis).
"Wir konnten damit einem schwarzem Loch beim Genuss eines Mehr-Gänge-Menüs zusehen, von der leichten Vorspeise, als die Quelle dunkel war, über das Verschlingen des Hauptgerichts, als sie wirklich hell aufschien, bis hin zum Nachtisch, als sie wieder langsamer wurde", sagt Matthew Middleton von der University of Durham . "Nebenbei ließ das schwarze Loch auch Dampf ab. Diese Jets zeigen uns klipp und klar, dass diese extrem helle Röntgenquelle – und damit auch andere ULX – nur ein typischer Überrest eines Sterns mit der etwa 10-fachen Sonnenmasse ist, der so viel Material verschluckt, wie es nur irgend möglich ist."
