DieHubble-Weltraumteleskopist wie ein alter Hund, der der astronomischen Gemeinschaft ständig neue Tricks beibringt. Im Laufe seiner fast dreißigjährigen Betriebszeit hat es wichtige Daten über die Ausdehnung des Universums, sein Alter, die Milchstraße, supermassive Schwarze Löcher (SMBHs), andere Sternensysteme und Exoplaneten sowie die Planeten des Sonnensystems enthüllt .
Zuletzt nutzte ein internationales Forscherteam Hubble eine Entdeckung gemacht das war nicht nur faszinierend, sondern völlig unerwartet. Im Herzen der Spiralgalaxie NGC 3147 entdeckten sie eine wirbelnde dünne Gasscheibe, die einem Hinterloch mit etwa 250 Millionen Sonnenmassen gefährlich nahe war. Der Fund war eine völlige Überraschung, da das Schwarze Loch als zu klein galt, um eine solche Struktur um sich herum zu haben.
NGC 3147 liegt etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und ist eine Spiralgalaxie mit einem relativ kleinen SMBH in ihrem Kern. Die Sache ist, dass nach aktuellen astronomischen Theorien ein Schwarzes Loch dieser Größe keine Scheibe haben sollte, die es umkreist. Da die Scheibe jedoch so eng um die Ereignishorizont dieses SMBH bietet es Astronomen die Möglichkeit, Einsteins Theorien von beiden zu testen Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie .
Künstlerische Darstellung der Bahn des Sterns S2, während er sehr nahe am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiführt. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Wie Stefano Bianchi – ein Forscher der Università degli Studi Roma Tre und Hauptautor der Studie – in einem kürzlich erschienenen NASA-Hubble . erklärte Pressemitteilung :
„Dies ist ein faszinierender Blick auf eine Scheibe ganz in der Nähe eines Schwarzen Lochs, so nah, dass die Geschwindigkeiten und die Intensität der Anziehungskraft das Aussehen der Lichtphotonen beeinflussen. Wir können die Daten nicht verstehen, wenn wir die Relativitätstheorien nicht einbeziehen.“
In kleineren Galaxien wie NGC 3147 soll es nicht genug gravitativ eingefangenes Material geben, um ihre SMBHs regelmäßig zu ernähren – was sie effektiv zu „unterernährten Schwarzen Löchern“ macht. Daher wird sich die geringe Menge an einfallendem Material, die sie verbrauchen, wahrscheinlich aufblasen und einen donutförmigen Torus bilden, anstatt sich zu einer dünnen Scheibe abzuflachen.
Es war daher ziemlich überraschend, eine Scheibe um das Schwarze Loch in NGC 3147 zu sehen, die den stärkeren ähnelt, die man um viel größere SMBHs im Zentrum extrem aktiver Galaxien findet. Als Ari Laor vom Technion-Israel Institute of Technology, erklärt :
„Wir dachten, dies sei der beste Kandidat, um zu bestätigen, dass die Akkretionsscheibe unterhalb bestimmter Helligkeiten nicht mehr existiert. Was wir sahen, war etwas völlig Unerwartetes. Wir haben Gas in Bewegung gefunden, das Eigenschaften erzeugt, die wir nur so erklären können, dass sie von Material erzeugt werden, das sich in einer dünnen Scheibe sehr nahe am Schwarzen Loch dreht.“
Illustration eines supermassiven Schwarzen Lochs, umgeben von einer Trümmerscheibe. Kredit: NRAO/AUI/NSF
Diese Beobachtungen waren besonders überraschend, da das Forschungsteam ursprünglich NGC 3147 ausgewählt hatte, um akzeptierte Galaxienmodelle zu validieren. Diese Modelle sagen voraus, dass sich Akkretionsscheiben bilden, wenn Gas durch die Anziehungskraft eines SMBHs eingeschlossen wird. Wenn die Scheiben durch die Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs an Geschwindigkeit gewinnen, beginnen sie, intensives Licht auszusenden, wodurch ein heller Kern entsteht, der als Quasar bekannt ist.
Sobald jedoch weniger Material in die Scheibe gezogen wird, beginnt sie zu zerfallen und wird schwächer. Als das Team sich NGC 3147 ansah, erwartete es eine aktive Galaxie mit geringerer Leuchtkraft und einem unterernährten Schwarzen Loch. Als Bianchi erklärt :
„Der Plattentyp, den wir sehen, ist ein verkleinerter Quasar, von dem wir nicht erwartet hatten, dass er existiert. Es ist die gleiche Art von Scheibe, die wir in Objekten sehen, die 1.000 oder sogar 100.000 Mal heller sind. Die Vorhersagen aktueller Modelle zur Gasdynamik in sehr lichtschwachen aktiven Galaxien sind eindeutig gescheitert.“
Wie bereits erwähnt, wird das Licht der Gasscheibe in Übereinstimmung mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie modifiziert, da die Scheibe so tief in das intensive Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs eingebettet ist. Diese Theorie beschreibt, wie sich die Krümmung der Raumzeit in Gegenwart eines Gravitationsfeldes ändert, was sogar das Verhalten von Licht beeinflussen kann (das von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie beschrieben wird).
Künstlerische Darstellung der Schwarzen Lochscheibe NGC 3147. Bildnachweis: ESA/Hubble
Basierend auf ihren Beobachtungen mit Hubbles Weltraumteleskop-Bildgebungs-Spektrograph (STIS) stellte das Team fest, dass sich das Material in der Scheibe mit mehr als 10 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Bei diesen extremen Geschwindigkeiten schien das Material in der Scheibe auf der einen Seite aufzuhellen, wenn es sich auf die Erde zubewegte, und verdunkelte sich auf der anderen Seite, wenn es davoneilte (ein Effekt, der als relativistisches Beamen bekannt ist).
Die Hubble-Beobachtungen zeigten auch, dass das Gas so in die Gravitationsquelle des Schwarzen Lochs eingebettet ist, dass die Wellenlänge des Lichts gestreckt wird und es röter erscheint. Dank der scharfen Auflösung von STIS war das Team in der Lage, das schwache Licht aus der Schwarzlochregion zu isolieren und kontaminierendes Licht auszublenden. Wie Chiaberge sagte:
„Ohne Hubble hätten wir dies nicht sehen können, da die Schwarzlochregion eine geringe Leuchtkraft hat. Die Leuchtkraft der Sterne in der Galaxie überstrahlt alles im Kern. Wenn Sie es also vom Boden aus beobachten, werden Sie von der Helligkeit der Sterne dominiert, die die schwache Emission des Kerns übertönt.“
Das Team hofft, auf dieser neuesten Entdeckung aufbauen zu können, indem es Hubble verwendet, um nach ähnlichen CDs in der Nähe von Schwarzen Löchern mit geringer Helligkeit zu suchen. Im Erfolgsfall werden die daraus resultierenden Entdeckungen Astronomen zusätzliche Möglichkeiten bieten, die Relativitätstheorie in Aktion zu sehen.
Die Studie, die die Beobachtungen des Teams beschreibt, erschien kürzlich in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .