NuSTAR hilft beim Lösen des Rätsels um den Spin des Schwarzen Lochs

Die Ergebnisse der beiden Röntgen-Weltraumobservatorien, dem Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA und dem XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation, lösen eine langjährige Debatte über ähnliche Messungen in anderen Schwarzen Löchern und werden zu einem besseren Verständnis führen wie sich Schwarze Löcher und Galaxien entwickeln.


„Wir können Materie verfolgen, während sie in ein Schwarzes Loch wirbelt, indem wir Röntgenstrahlen verwenden, die aus Regionen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs emittiert werden“, sagte Fiona Harrison, NuSTAR-Forschungsleiterin am California Institute of Technology in Pasadena und Co-Autorin einer neuen Studie in der Ausgabe vom 28. Februar von Nature. „Die Strahlung, die wir sehen, wird durch die Bewegungen der Teilchen und durch die unglaublich starke Gravitation des Schwarzen Lochs verzerrt und verzerrt.“

Das Konzept dieses Künstlers illustriert ein supermassives Schwarzes Loch mit der Millionen- bis Milliarden-fachen Masse unserer Sonne. Supermassive Schwarze Löcher sind enorm dichte Objekte, die im Herzen von Galaxien vergraben sind. In dieser Abbildung ist das supermassive Schwarze Loch im Zentrum von Materie umgeben, die in einer sogenannten Akkretionsscheibe auf das Schwarze Loch strömt. Diese Scheibe entsteht, wenn Staub und Gas in der Galaxie auf das Loch fallen, angezogen von seiner Schwerkraft. Ebenfalls zu sehen ist ein ausströmender Strahl energetischer Teilchen, von dem angenommen wird, dass er vom Spin des Schwarzen Lochs angetrieben wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech.


Es wird angenommen, dass die Bildung supermassereicher Schwarzer Löcher die Entstehung der Galaxie selbst widerspiegelt, da ein Bruchteil der gesamten in die Galaxie gezogenen Materie ihren Weg in das Schwarze Loch findet. Aus diesem Grund sind Astronomen daran interessiert, die Spinraten von Schwarzen Löchern im Herzen von Galaxien zu messen.

Die Beobachtungen sind auch ein starker Test für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die besagt, dass die Schwerkraft Licht und Raumzeit beugen kann. Die Röntgenteleskope entdeckten diese Verzerrungseffekte in extremsten Umgebungen, wo das immense Schwerefeld eines Schwarzen Lochs die Raumzeit stark verändert.

NuSTAR, eine NASA-Mission der Explorer-Klasse, die im Juni 2012 gestartet wurde, wurde speziell entwickelt, um Röntgenlicht mit der höchsten Energie bis ins kleinste Detail zu detektieren. Für Livermore war der Vorgänger von NuSTAR ein ballongetragenes Instrument, das als HEFT (High Energy Focusing Telescope) bekannt ist und teilweise durch eine von einem Labor geleitete Forschungs- und Entwicklungsinvestition ab 2001 finanziert wurde. NuSTAR nutzt die Röntgenfokussierfähigkeiten von HEFT und schickt sie auf einem Satelliten über die Erdatmosphäre hinaus. Das Optikdesign und der Herstellungsprozess für NuSTAR basieren auf denen, die zum Bau der HEFT-Teleskope verwendet wurden.

NuSTAR ergänzt Teleskope, die Röntgenlicht mit niedrigerer Energie beobachten, wie das XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA. Wissenschaftler verwenden diese und andere Teleskope, um die Geschwindigkeiten abzuschätzen, mit denen sich Schwarze Löcher drehen.




„Wir wissen, dass Schwarze Löcher eine starke Verbindung zu ihrer Wirtsgalaxie haben“, sagte der Astrophysiker Bill Craig, Mitglied des LLNL-Teams. „Die Messung des Spins, eines der wenigen Dinge, die wir direkt von einem Schwarzen Loch aus messen können, wird uns Hinweise zum Verständnis dieser grundlegenden Beziehung geben.“

Das Team verwendete NuSTAR, um Röntgenstrahlen zu beobachten, die von heißem Gas in einer Scheibe direkt außerhalb des „Ereignishorizonts“ emittiert werden, der Grenze, die ein Schwarzes Loch umgibt, über die hinaus nichts, einschließlich Licht, entweichen kann.

Wissenschaftler messen die Spinraten supermassereicher Schwarzer Löcher, indem sie das Röntgenlicht in verschiedene Farben aufteilen. Das Licht kommt von Akkretionsscheiben, die um Schwarze Löcher wirbeln, wie in beiden Konzepten des Künstlers gezeigt. Sie verwenden Röntgen-Weltraumteleskope, um diese Farben zu untersuchen, und suchen insbesondere nach einem „Fingerabdruck“ von Eisen – dem in beiden Grafiken oder Spektren gezeigten Peak – um zu sehen, wie scharf er ist. Das oben gezeigte „Rotations“-Modell ging davon aus, dass die Eisenstruktur durch verzerrende Effekte, die durch die immense Schwerkraft des Schwarzen Lochs verursacht werden, ausgebreitet wird. Wenn dieses Modell korrekt wäre, dann sollte der Grad der Verzerrung im Eisenmerkmal die Spinrate des Schwarzen Lochs aufdecken. Das alternative Modell ging davon aus, dass verdeckende Wolken in der Nähe des Schwarzen Lochs die Eisenlinie künstlich verzerrt erscheinen ließen. Wenn dieses Modell korrekt wäre, könnten die Daten nicht verwendet werden, um den Spin des Schwarzen Lochs zu messen. NuSTAR half bei der Lösung des Falls und schloss das alternative Modell der „verdeckenden Wolke“ aus. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech.

Frühere Messungen waren unsicher, da verdunkelnde Wolken um die Schwarzen Löcher theoretisch die Ergebnisse verwirren könnten. Durch die Zusammenarbeit mit XMM-Newton konnte NuSTAR einen breiteren Bereich der Röntgenenergie sehen, der tiefer in die Region um das Schwarze Loch vordringt. Die neuen Beobachtungen schlossen die Idee der Verdunkelung von Wolken aus und zeigten, dass die Spinraten supermassereicher Schwarzer Löcher schlüssig bestimmt werden können.


„Dies ist enorm wichtig für den Bereich der Schwarzen-Loch-Wissenschaft“, sagte Lou Kaluzienski, NuSTAR-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptquartier in Washington, D.C. „NASA- und ESA-Teleskope haben dieses Problem gemeinsam angegangen. Zusammen mit den niederenergetischen Röntgenbeobachtungen, die mit XMM-Newton durchgeführt wurden, lieferten die beispiellosen Fähigkeiten von NuSTAR zur Messung der höherenergetischen Röntgenstrahlen ein wesentliches, fehlendes Puzzleteil, um dieses Problem zu lösen.“

NuSTAR und XMM-Newton beobachteten gleichzeitig das supermassive Schwarze Loch mit zwei Millionen Sonnenmasse, das im staub- und gasgefüllten Herzen einer Galaxie namens NGC 1365 liegt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich das Schwarze Loch nahe der maximalen Geschwindigkeit dreht, die von Einsteins Gravitationstheorie.

„Diese Monster mit einer Masse vom Millionen- bis Milliardenfachen der Sonnenmasse werden im frühen Universum als kleine Samen gebildet und wachsen dann, indem sie Sterne und Gas in ihren Wirtsgalaxien verschlucken und/oder mit anderen riesigen Schwarzen Löchern verschmelzen, wenn Galaxien entstehen kollidieren“, sagte Guido Risaliti, Hauptautor der neuen Studie vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, und dem Italian National Institute for Astrophysics. „Die Messung der Drehung eines supermassiven Schwarzen Lochs ist grundlegend für das Verständnis seiner Vorgeschichte und der seiner Wirtsgalaxie.“

Über das Lawrence Livermore National Laboratory