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 Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

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: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Im Focus: Physiker erzeugen gezielt Elektronenwirbel

Einem Team um den Oldenburger Experimentalphysiker Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt ist es mithilfe ultrakurzer Laserpulse gelungen, gezielt Elektronenwirbel zu erzeugen und diese dreidimensional abzubilden. Damit haben sie einen komplexen physikalischen Vorgang steuern können: die sogenannte Photoionisation oder Ladungstrennung. Diese gilt als entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom, beispielsweise in Solarzellen. Die Ergebnisse ihrer experimentellen Arbeit haben die Grundlagenforscher kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Umwandeln von Licht in elektrischen Strom ist ein ultraschneller Vorgang, dessen Details erstmals Albert Einstein in seinen Studien zum photoelektrischen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

Unter der Haut

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Neues Schiff für die Fischerei- und Meeresforschung

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit voller Kraft auf Erregerjagd

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie