Künstlerische Illustration des Herzens der Galaxie M31. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Astronomen haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA die Quelle eines mysteriösen blauen Lichts identifiziert, das ein supermassereiches Schwarzes Loch in unserer benachbarten Andromeda-Galaxie (M31) umgibt. Obwohl das Licht Astronomen seit mehr als einem Jahrzehnt verwirrt, macht die neue Entdeckung die Geschichte noch mysteriöser.
Das blaue Licht kommt von einer Scheibe heißer, junger Sterne. Diese Sterne peitschen um das Schwarze Loch herum, ähnlich wie Planeten in unserem Sonnensystem um die Sonne kreisen. Astronomen sind verblüfft, wie sich die pfannkuchenförmige Sternenscheibe so nahe an einem riesigen Schwarzen Loch bilden konnte. In einer so feindlichen Umgebung sollten die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs Materie zerreißen, was es Gas und Staub erschwert, zu kollabieren und Sterne zu bilden. Astronomen sagen, dass die Beobachtungen Hinweise auf die Aktivitäten in den Kernen weiter entfernter Galaxien geben könnten.
Durch das Auffinden der Sternenscheibe haben Astronomen auch, wie sie sagen, eiserne Beweise für die Existenz des Monster-Schwarzen Lochs gesammelt. Die Beweise haben Astronomen geholfen, alle alternativen Theorien für die dunkle Masse im Kern von Andromeda auszuschließen, von der Wissenschaftler seit langem vermuteten, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelte.
„Diese Sterne zu sehen ist, als würde man einem Zauberer dabei zusehen, wie er ein Kaninchen aus dem Hut zieht. Sie wissen, dass es passiert ist, aber Sie wissen nicht, wie es passiert ist“, sagte Tod Lauer vom National Optical Astronomy Observatory in Tucson, Arizona. Er und ein Team von Astronomen unter der Leitung von Ralf Bender vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland, und John Kormendy von der University of Texas in Austin machten die Hubble-Beobachtungen. Die Ergebnisse des Teams werden in der Ausgabe des Astrophysical Journal vom 20. September 2005 veröffentlicht.
Hubble-Sonden seltsames blaues Licht
Der Astronom Ivan King von der University of Washington und seine Kollegen entdeckten das seltsame blaue Licht zum ersten Mal 1995 mit dem Hubble-Teleskop. Er dachte, das Licht könnte von einem einzelnen, hellblauen Stern kommen oder vielleicht von einem exotischeren energetischen Prozess. Drei Jahre später nutzten Lauer und Sandra Faber von der University of California in Santa Cruz Hubble erneut, um das blaue Licht zu untersuchen. Ihre Beobachtungen zeigten, dass das blaue Licht eine Ansammlung blauer Sterne war.
Jetzt zeigen neue spektroskopische Beobachtungen des Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) von Hubble, dass das blaue Licht aus mehr als 400 Sternen besteht, die vor etwa 200 Millionen Jahren in einem Aktivitätsschub entstanden sind. Die Sterne sind dicht gepackt in einer Scheibe, die nur ein Lichtjahr groß ist. Die Scheibe ist in einem elliptischen Ring aus älteren, kühleren, röteren Sternen eingebettet, der in früheren Hubble-Beobachtungen beobachtet wurde.
Die Astronomen verwendeten STIS auch, um die Geschwindigkeiten dieser Sterne zu messen. Sie ermittelten die Geschwindigkeiten der Sterne, indem sie berechneten, wie stark ihre Lichtwellen gestreckt und komprimiert werden, während sie sich um das Schwarze Loch bewegen. Unter dem Gravitationsgriff des Schwarzen Lochs reisen die Sterne sehr schnell: 2,2 Millionen Meilen pro Stunde (3,6 Millionen Kilometer pro Stunde oder 1.000 Kilometer pro Sekunde). Sie bewegen sich so schnell, dass sie 40 Sekunden brauchen würden, um die Erde zu umrunden und sechs Minuten, um den Mond zu erreichen. Die schnellsten Sterne durchlaufen eine Umlaufbahn in 100 Jahren.
Der aktive Kern von Andromeda hat in der Vergangenheit wahrscheinlich ähnliche Sternenscheiben hergestellt und wird sie möglicherweise auch weiterhin herstellen.
„Die blauen Sterne in der Scheibe sind so kurzlebig, dass es in der langen 12-Milliarden-jährigen Geschichte von Andromeda unwahrscheinlich ist, dass jetzt eine so kurzlebige Scheibe auftaucht“, sagte Lauer. „Deshalb denken wir, dass der Mechanismus, der diese Sternenscheibe gebildet hat, in der Vergangenheit wahrscheinlich andere Sternscheiben gebildet hat und diese in Zukunft wieder auslösen wird. Wir wissen jedoch immer noch nicht, wie eine solche Scheibe überhaupt entstehen konnte. Es bleibt immer noch ein Rätsel.“
Die Astronomen schreiben Hubbles hervorragende Vision für das Auffinden der Scheibe zu.
„Nur Hubble hat die Auflösung im blauen Licht, um diese Scheibe zu beobachten“, sagte Teammitglied Richard Green vom National Optical Astronomy Observatory in Tucson. „Er ist so klein und unterscheidet sich so stark von den umgebenden roten Sternen, dass wir ihn nutzen konnten, um das sehr dynamische Herz von Andromeda zu erkunden. Diese Beobachtungen wurden von den Mitgliedern unseres Teams gemacht, das STIS erstellt hat. Wir haben seinen sichtbaren Kanal speziell entwickelt, um eine solche Gelegenheit zu nutzen? um Sternenlicht näher an einem Schwarzen Loch zu messen als in jeder anderen Galaxie außerhalb unserer eigenen.“
Solide Beweise für ein Monster Black Hole
Neben der Entdeckung der Sternenscheibe nutzten die Astronomen diesen einzigartigen Blick auf Andromeda, um eindeutig zu beweisen, dass die Galaxie ein zentrales Schwarzes Loch beherbergt. 1988 entdeckten John Kormendy und das Team von Alan Dressler und Douglas Richstone in unabhängigen bodengestützten Studien ein zentrales dunkles Objekt in Andromeda, von dem sie glaubten, dass es sich um ein supermassereiches Schwarzes Loch handelte. Dies war der erste starke Fall für die jetzt 40 Entdeckungen von Schwarzen Löchern, die meisten von ihnen von Hubble. Diese Beobachtungen schlossen jedoch andere, sehr exotische und weit weniger wahrscheinliche Alternativen nicht endgültig aus.
„Es gibt zwingende Gründe zu der Annahme, dass es sich um supermassereiche Schwarze Löcher handelt“, sagte Kormendy. „Aber extreme Behauptungen erfordern außergewöhnlich starke Beweise. Wir müssen sicher sein, dass es sich um Schwarze Löcher und nicht um dunkle Ansammlungen toter Sterne handelt.“
Die STIS-Beobachtungen von Andromeda sind so präzise, dass Astronomen alle anderen Möglichkeiten für das zentrale, dunkle Objekt eliminiert haben. Sie berechneten auch, dass die Masse des Schwarzen Lochs 140 Millionen Sonnen beträgt, was dreimal so massereich ist, wie bisher angenommen.
Bisher wurden dunkle Sternhaufen nur in zwei Galaxien, NGC 4258 und unserer Galaxie, der Milchstraße, definitiv ausgeschlossen. „Diese beiden Galaxien liefern uns den eindeutigen Beweis dafür, dass Schwarze Löcher existieren“, fügte Kormendy hinzu. „Aber beides sind Sonderfälle? NGC 4258 enthält eine Scheibe aus Wassermasern, die wir mit Radioteleskopen beobachten, und unser galaktisches Zentrum ist so nah, dass wir einzelnen Sternbahnen folgen können. Andromeda ist die erste Galaxie, in der wir mit Hubble alle exotischen Alternativen zu einem Schwarzen Loch ausschließen können und die gleichen Techniken verwenden, mit denen wir fast alle supermassereichen Schwarzen Löcher finden.“
„Das Studium schwarzer Löcher war schon immer eine der Hauptaufgaben von Hubble“, sagte Kormendy. „Das Schwarze Loch in Andromeda zu nageln ist ohne Zweifel ein wichtiger Teil seines Erbes. Es macht uns viel sicherer, dass auch die anderen in Galaxien entdeckten zentralen dunklen Objekte Schwarze Löcher sind.“
„Jetzt, da wir bewiesen haben, dass sich das Schwarze Loch im Zentrum der Scheibe aus blauen Sternen befindet, ist die Entstehung dieser Sterne schwer zu verstehen“, fügte Bender hinzu. „Gas, das Sterne bilden könnte, muss sich so schnell um das Schwarze Loch drehen? und so viel schneller in der Nähe des Schwarzen Lochs als weiter draußen? diese Sternentstehung sieht fast unmöglich aus. Aber die Sterne sind da.“
Der aktive Kern einer Galaxie
Das Schwarze Loch und die Sternenscheibe sind nicht die einzigen Architekturstücke im Kern von Andromeda. Ein Team unter der Leitung von Lauer und Faber nutzte Hubble im Jahr 1993, um herauszufinden, dass die Galaxie einen Doppelsternhaufen in ihrem Zentrum zu haben scheint. Dieser Befund war eine Überraschung, denn in nur wenigen hunderttausend Jahren sollten zwei Haufen zu einem verschmelzen. Scott Tremaine von der Princeton University löste dieses Problem, indem er darauf hinwies, dass der „Doppelkern“ eigentlich ein Ring alter, roter Sterne sei. Der Ring sah aus wie zwei Sternhaufen, weil Astronomen nur die Sterne an den gegenüberliegenden Enden des Rings sahen. Der Ring ist etwa fünf Lichtjahre vom Schwarzen Loch und seiner umgebenden Scheibe aus blauen Sternen entfernt. Die Scheibe und der Ring sind von der Erde aus gesehen im gleichen Winkel geneigt, was darauf hindeutet, dass sie verwandt sein könnten.
Obwohl Astronomen überrascht sind, eine blaue Sternenscheibe zu finden, die um ein supermassereiches Schwarzes Loch wirbelt, sagen sie auch, dass die rätselhafte Architektur möglicherweise nicht so ungewöhnlich ist.
„Die Dynamik im Kern dieser Nachbargalaxie ist möglicherweise häufiger als wir denken“, erklärte Lauer. „Unsere eigene Milchstraße hat offenbar noch jüngere Sterne in der Nähe ihres eigenen Schwarzen Lochs. Es scheint unwahrscheinlich, dass nur die beiden nächsten großen Galaxien diese seltsame Aktivität aufweisen sollten. Dieses Verhalten ist also möglicherweise nicht die Ausnahme, sondern die Regel. Und wir haben andere Galaxien gefunden, die einen Doppelkern haben.“
Originalquelle: Hubble-Pressemitteilung
