Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwarze Löcher in der Radarfalle

23.02.2005


Künstlerische Darstellung des relativistischen Materiestroms um ein schnell rotierendes Schwarzes Loch im Zentrum einer Akkretionsscheibe (orange). Das Licht der Atome, die auf den Beobachter zu fliegen, ist zu kürzeren Wellenlängen (blau) verschoben und wesentlich heller als das Licht auf jener Seite, die sich vom Beobachter entfernt (rot). Bild: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik


Das mit dem ESA-Satelliten XMM-Newton gemessene mittlere Röntgenspektrum von etwa 100 aktiven Galaxien des kosmischen Hintergrunds. Das Licht wurde zunächst auf das Ruhesystem unserer Milchstraße korrigiert und dann addiert. Danach wurde ein einfaches spektrales Modell ohne Linien abgezogen. Das Restspektrum zeigt eine starke, relativistisch verbreiterte Eisenlinie, die auf Materie in unmittelbarer Nähe von Schwarzen Löchern schließen lässt. Bild: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik


Forscher messen mit dem Röntgensatelliten XMM-Newton in der Umgebung der Massemonster relativistische Geschwindigkeiten


Astronomen ist es gelungen, die von Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagten Effekte im Gravitationsfeld Schwarzer Löcher nachzuweisen. Mit dem europäischen Röntgenobservatorium XMM-Newton untersuchten die Forscher unter Leitung von Günther Hasinger, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München, das Licht des kosmischen Röntgenhintergrunds - die vereinte Strahlung Schwarzer Löcher, die in den Zentren weit entfernter aktiver Galaxien sitzen. Als Indiz diente der "Fingerabdruck" von Eisen: Im addierten Spektrum von rund 100 jungen Milchstraßensystemen beobachteten die Wissenschaftler eine verbreiterte, asymmetrische Linie. Deren Form passt exakt zu den Aussagen der Relativitätstheorie (Astronomy & Astrophysics, vol. 432(2), März 2005).

Der gesamte Himmel ist von einem diffusen, hoch energetischen Leuchten erfüllt: der kosmischen Röntgenhintergrund-Strahlung. In den vergangenen Jahren haben die Astronomen gezeigt, dass diese Strahlung fast vollständig von einzelnen Objekten stammt. Ähnliches gelang Galileo Galilei, als er Anfang des 17. Jahrhunderts mit seinem Fernrohr die Milchstraße erstmals in einzelne Sterne auflöste. Im Fall des Röntgenhintergrunds handelt es sich um hunderte Millionen Schwarzer Löcher, die in weit entfernten Milchstraßensystemen gerade "gefüttert" - also mit Materie versorgt - werden. Weil die Schwarzen Löcher dabei an Masse zulegen, sehen wir im Röntgenhintergrund deren Wachstumsphase. Im heutigen Universum stecken massereiche Schwarze Löcher im Zentrum nahezu aller Galaxien.


Wenn Materie in den Schlund eines Schwarzen Lochs stürzt, rast sie in dem kosmischen Mahlstrom der Akkretionsscheibe fast mit Lichtgeschwindigkeit herum und heizt sich dabei so stark auf, dass sie kurz vor ihrem endgültigen Verschwinden hoch energetische Strahlung als eine Art letzten Hilfeschrei ausstößt. Werden sie im Zentrum aktiver Galaxien gut genährt, gehören die eigentlich unsichtbaren Schwarzen Löcher daher zu den leuchtkräftigsten Objekten im All. Die chemischen Elemente in der Materie senden Röntgenlicht bei charakteristischen Wellenlängen aus und lassen sich so durch ihren spektralen Fingerabdruck identifizieren. Besonders gut geeignet sind die Atome des Eisens, da dieses Metall im Kosmos am häufigsten vorkommt, bei sehr hohen Temperaturen besonders intensiv strahlt und im Spektrum eine deutliche Spur (eine Linie) zeigt.

Ähnlich wie die Polizei Schnellfahrer mittels Radarfallen stellt, weisen Astronomen die extrem hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Eisenatome ein Schwarzes Loch umkreisen, durch eine Wellenlängenverschiebung des Lichts nach. Diesem relativistischen Doppler-Effekt überlagert sich wegen der großen Masse von Schwarzen Löchern die so genannten Gravitationsrotverschiebung - beides Phänomene, wie sie die Relativitätstheorie fordert. So postuliert die Spezielle Relativitätstheorie, dass schnell bewegte Uhren langsamer laufen; nach der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt dies auch für Uhren in der Nähe großer Massen. Auf die elektromagnetische Strahlung übertragen heißt das: Die Wellenlänge des von Eisenatomen ausgesandten Lichts wird in den langwelligen, roten Teil des Spektrums verschoben. Dabei ergibt sich eine verbreiterte, asymmetrische Linienform - gleichsam ein verschmierter Fingerabdruck.

Blickt man von der Seite auf die in der Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch herumrasende Materie (Abb. 1), erscheint das Licht der sich auf uns zu bewegenden Eisenatome stark ins Blaue verschoben und wesentlich heller als das jener Atome, die sich von uns entfernen. Die relativistischen Effekte sind umso stärker, je näher die Materie dem Schwarzen Loch kommt. Wegen der verzerrten Raumzeit sind sie am stärksten bei sehr schnell rotierenden Schwarzen Löchern. In den vergangenen Jahren gelangen Messungen relativistischer Eisenlinien an wenigen, nahe gelegenen aktiven Galaxien; zum ersten Mal wurden die Astronomen 1995 mit dem japanischen Satelliten ASCA fündig.

Nun haben Forscher um Günther Hasinger, Xavier Barcons vom spanischen Instituto de Física de Cantabria und Andy Fabian von der britischen Universität Cambridge den oben beschriebenen relativistisch verschmierten Fingerabdruck der Eisenatome auch im Röntgenhintergrund aufgespürt, also im Licht von Schwarzen Löchern in den Zentren weit entfernter Galaxien (Abb. 2). Dazu richteten die Forscher das Observatorium XMM-Newton der europäischen Raumfahrtagentur ESA insgesamt mehr als 500 Stunden auf einen Himmelsauschnitt in der Konstellation Großer Wagen.

Wegen der Ausdehnung des Universums bewegen sich die Galaxien umso schneller von uns fort, je weiter entfernt sie sind. Diese unterschiedlich hohen Fluchtgeschwindigkeiten lassen die Spektrallinien bei verschiedenen Wellenlängen erscheinen. Daher mussten die Astronomen das Röntgenlicht sämtlicher Galaxien zunächst auf das Ruhesystem unserer Milchstraße korrigieren und erhielten damit eine absolute Bezugsgröße. Dafür wurden mit dem amerikanischen Keck-Teleskop auf Hawaii Geschwindigkeitsmessungen für mehr als 100 Objekte durchgeführt. Als die Forscher deren Licht addiert hatten, zeigte sich ein unerwartet starkes Signal - und die charakteristisch verbreiterte Form der Eisenlinie.

Aus der Stärke des Röntgensignals schlossen die Astronomen unter anderem auf die Anzahl der Eisenatome innerhalb der Materie. Überraschenderweise ist die chemische Häufigkeit von Eisen im "Futter" dieser jungen Schwarzen Löcher etwa dreifach größer als in unserem wesentlich später entstandenen Sonnensystem. Die Zentren der Galaxien im frühen Universum hatten also eine außerordentlich effiziente Methode, Eisen zu produzieren - möglicherweise, weil in aktiven Galaxien besonders viele massereiche Sterne die chemischen Elemente bis hin zum Eisen vergleichsweise schnell erbrüten.

Die Breite der Linie lässt darauf schließen, dass die Eisenatome dem Schwarzen Loch sehr nahe kommen und deshalb die meisten Schwarzen Löcher im Weltall vermutlich schnell rotieren. Denn diese Schwarzen Löcher reißen den sie umgebenden Raum mit wie ein Rührwerk den Teig. Deshalb kann Materie, die in der selben Richtung um ein Schwarze Loch fliegt, näher an das Massemonster gelangen, ohne hineinzufallen. Und so sieht man hier höhere Geschwindigkeiten und eine größere Gravitationsrotverschiebung. Dieser Befund ergibt sich auch, wenn man das Licht im Röntgenhintergrund mit der gesamten Masse der "schlafenden" Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien vergleicht, wie das kürzlich mehrere Forschergruppen getan haben.

Dr. Andreas Trepte | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Eisenatom Galaxie Materie Relativitätstheorie Röntgenhintergrund

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie