Astronomen versuchen, ein komplexes kosmisches Geheimnis zu lösen, das sich im dunklen Herzen einer entfernten Galaxie, etwa 270 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, verbirgt. Wenn es ihnen gelingt, könnten sie unser Verständnis davon, wie sich schwarze Löcher von Materie ernähren, revolutionieren.

Allgemeines Chaos 

Im Zentrum des weit entfernten Galaxienhaufens 1ES 1927+654 im Sternbild Drache befindet sich ein superschweres Schwarzes Loch mit einer Größe von mehr als einer Million Sonnenmassen - an sich nicht besonders bemerkenswert. Die meisten großen Galaxien, einschließlich unserer eigenen, haben solche riesigen Ungetüme in ihrem Zentrum. Doch dieses Schwarze Loch begann sich plötzlich sehr seltsam zu verhalten:

Experten glauben, dass der ungewöhnliche Ausbruch durch eine Gezeitenkatastrophe verursacht worden sein könnte, die eintritt, wenn ein Stern von einem Schwarzen Loch zerrissen und verschlungen wird, nachdem er zu nahe an den Ereignishorizont gedriftet ist. Mehrere Forscherteams begannen, das System genau zu beobachten, und im Laufe der nächsten Jahre beobachteten sie, wie sich die Korona wieder aufbaute und in einen ruhigen Zustand zurückkehrte. Dann sorgte das Schwarze Loch für eine weitere Überraschung: Es flammte im Radiospektrum dramatisch auf und sendete schnelle Röntgenstrahlungspulse aus.

Solche dynamischen Veränderungen sind in der Umgebung von superschweren Schwarzen Löchern beispiellos und können nicht einfach durch eine "typische" Gezeitenkatastrophe erklärt werden. Eileen Meyer, Astronomin an der Universität von Maryland, war Teil eines internationalen Teams, das die Radioemissionen des Systems mit mehreren Teleskopen auf der Erde und im Weltraum untersuchte. Sie erinnert sich daran, dass 1ES 1927+654, als sie das System zum ersten Mal sah, eine besonders schwache, schwache Radioquelle zu sein schien. Als er und seine Kollegen dann mehr und mehr seltsame Aktivitäten beobachteten, wurde es immer spannender.

Die Beobachtungen seines Teams ergaben, dass das Schwarze Loch kurz nach der Verstärkung der Radiowellen einen riesigen polaren Plasmastrahl aussandte, in dem die Materie mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit dahinraste. Dies war das erste Mal, dass solche Strahlen in Echtzeit beobachtet wurden, was eindeutig auf eine extreme Aktivität in der Nähe des Schwarzen Lochs hinweist. Meyer präsentierte die Ergebnisse seines Teams auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in der vergangenen Woche und fasst sie in einem neuen Artikel zusammen, der im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde.

Aber wenn es sich bei dem bizarren Verhalten des Schwarzen Lochs nicht um einen gewöhnlichen "Sternenzerfall" handelt, was könnte dann dahinter stecken? Der entscheidende Hinweis könnte in der Röntgenpulsation des Schwarzen Lochs liegen, die von der MIT-Doktorandin Megan Masterson und Kollegen analysiert wurde. Anhand von Daten des XMM-Newton-Röntgenteleskops der Europäischen Weltraumorganisation entdeckten Masterson und ihr Team ein verräterisches Muster: Das Flackern hat sich über zwei Jahre hinweg beschleunigt.

- sagt Masterson. Der Experte, Meyer und Kollegen haben ihre Ergebnisse im Januar auf dem Preprint-Server von arXiv.org veröffentlicht, aber die Studie wurde bereits zur Veröffentlichung in der Ausgabe vom 13. Februar in Nature angenommen.

Mysteriöser Begleiter

Die naheliegendste Erklärung für die Veränderung der Röntgenoszillation ist laut den Forschern, dass sich ein Objekt mit nicht vernachlässigbarer Masse in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs befindet. Die Modelle legen nahe, dass es sich so nahe am Zentralkörper befindet, dass es in die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs eintritt, wo die Reibung die Materie um das Gravitationsmonster auf eine glühende Temperatur erhitzt hat.

Und die zunehmende Häufigkeit der Pulse könnte nach Ansicht der Experten ein Zeichen dafür sein, dass die Umlaufbahn des Objekts immer instabiler wird, ständig Energie verliert und sich immer schneller auf einen Punkt zubewegt, an dem es kein Zurück mehr gibt. Dabei werden zusätzlich zu den entdeckten Radiobursts auch Gravitationswellen ausgesendet.

Für Masterson war der nächste Schritt klar: "Ich berechnete, wie lange dieser Körper nach innen spiralisiert und wann er verbraucht sein würde", sagt er. Nach dem Modell sah es so aus, als würde das hypothetische Objekt im Januar 2024 den Ereignishorizont durchqueren, und dann würden die mysteriösen Röntgenausbrüche endgültig aufhören.

Dies war jedoch nicht der Fall. Beobachtungen von XMM-Newton 1ES 1927+654 im März 2024 zeigten deutlich, dass die Oszillation immer noch anhält. Wenn die Ausbrüche durch ein umlaufendes Objekt verursacht werden, würde eine Periode von etwa sieben Minuten bedeuten, dass der Begleiter des Schwarzen Lochs einige Millionen Kilometer vom Ereignishorizont entfernt ist und sich mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegt. Noch nie ist ein Objekt so nahe an einem Schwarzen Loch beobachtet worden. Wie kann ein Himmelskörper unter solchen Bedingungen noch existieren? Die Schwerkraft hätte ihn schon längst zerreißen müssen, es sei denn, es war etwas anderes im Spiel, sagt Masterson.

Des Rätsels Lösung war ein exotischer Himmelskörper, ein Weißer Zwerg, der von einem sterbenden, extrem dichten, sonnenähnlichen Sternhaufen zurückgelassen wurde. Wenn es sich bei dem vermuteten Objekt um ein kleines schwarzes Loch handeln würde, wäre es schon vor langer Zeit mit seinem superschweren Begleiter kollidiert, und wenn es sich um einen normalen Stern handeln würde, hätte die Gezeitenkatastrophe ihn schon längst zerrissen. Masterson und sein Team erkannten jedoch, dass ein massearmer Weißer Zwerg, wenn er sich in einer extremen Umlaufbahn befindet, zäh genug sein könnte, um noch eine Weile am Rande der Zerstörung zu balancieren. Anstatt von den Gezeitenkräften zerrissen zu werden, könnte ein solcher Weißer Zwerg in der Lage sein, jeweils einen kleinen Teil seiner Materie in das Schwarze Loch zu leiten.

Dies könnte die durch Gravitationswellen verlorene Energie auf der Umlaufbahn kompensieren und die Einwärtsspirale stoppen oder sogar umkehren.

Übergangszustände

Nach Ansicht von Chiara Mingarelli, Astrophysikerin in Yale, die nicht an den oben erwähnten Forschungen zu 1ES 1927+654 beteiligt war, könnte dies durchaus sinnvoll sein. Wäre das hypothetische Objekt, das das Schwarze Loch umkreist, ein Weißer Zwerg, könnte der "Zombie"-Stern in einer Art Übergangszustand existieren, in dem er zu zerfallen beginnt und Gravitationswellen aussendet, sich aber nur langsam dem Schwarzen Loch nähert, anstatt von ihm praktisch verschluckt zu werden, sagt sie.

Dieses Modell ist natürlich bestenfalls eine fundierte Vermutung. Aber man muss vielleicht gar nicht so lange warten, um es zu beweisen. Vielleicht erst in den 2030er Jahren, wenn der erste Schwerkraftwellendetektor im Weltraum einsatzbereit sein wird: Das geplante LISA-Instrument der Europäischen Weltraumorganisation könnte zum Beispiel Schwerkraftwellen aufspüren, die von einem Weißen Zwerg in einer quasistationären Umlaufbahn um 1ES 1927+654 ausgehen. Und wenn es keine findet, könnte das natürlich eine wichtige Information für Forscher sein, die nach anderen Antworten suchen.

Wie auch immer das Ergebnis ausfällt, dieses System ist eine wichtige Gelegenheit für Forscher, eine solche Ressource jetzt zu untersuchen, sagt Masterson. Er hofft, dass LISA noch viele weitere ähnliche kosmische Systeme finden wird, so dass man dann noch mehr solcher Systeme beobachten kann. Mingarelli ist ähnlich optimistisch, was das LISA-Projekt angeht. Er stellt fest, dass diese Studien einmal mehr bestätigen, wie wenig wir noch über die Dynamik Schwarzer Löcher und insbesondere über die Physik von Akkretionsscheiben wissen.

Gleichzeitig, so Meyer, ist der Fortschritt der Wissenschaft offensichtlich: