Ein supermassereiches Schwarzes Loch hat die Astronomen in den letzten Jahren in Atem gehalten. Zuerst kam es zu einem überraschenden Verschwinden und jetzt zu einem prekären Auftritt.
Bei dem Schwarzen Loch handelt es sich um 1ES 1927+654, das etwa so massereich ist wie eine Million Sonnen und in einer Galaxie liegt, die 100 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Im Jahr 2018 beobachteten Astronomen am MIT und anderswo, dass die Korona des Schwarzen Lochs – eine Wolke aus wirbelndem, weißglühendem Plasma – plötzlich verschwand, bevor sie sich Monate später wieder zusammensetzte. Die kurze, aber dramatische Unterbrechung war eine Premiere in der Astronomie Schwarzer Löcher.
Mitglieder des MIT-Teams haben nun festgestellt, dass dasselbe Schwarze Loch ein beispielloseres Verhalten zeigt.
Die Astronomen haben Röntgenblitze entdeckt, die vom Schwarzen Loch mit stetig zunehmender Intensität ausgehen. Über einen Zeitraum von zwei Jahren steigerte sich die Häufigkeit der Blitze mit Millihertz-Schwingungen von alle 18 Minuten auf alle sieben Minuten. Diese dramatische Beschleunigung der Röntgenstrahlung wurde bisher bei einem Schwarzen Loch noch nicht beobachtet.
Die Forscher untersuchten eine Reihe von Szenarien, was die Blitze erklären könnte. Sie glauben, dass der wahrscheinlichste Schuldige ein rotierender Weißer Zwerg ist – ein extrem kompakter Kern eines toten Sterns, der das Schwarze Loch umkreist und sich seinem Ereignishorizont bedenklich nähert, der Grenze, jenseits derer nichts der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs entkommen kann. Wenn dies der Fall ist, muss der Weiße Zwerg einen beeindruckenden Balanceakt vollbringen, denn er könnte bis an den Rand des Schwarzen Lochs vordringen, ohne tatsächlich hineinzufallen.
„Das wäre das, was uns in der Nähe eines Schwarzen Lochs am nächsten kommt“, sagt Megan Masterson, eine Doktorandin der Physik am MIT, die die Entdeckung mit leitete. „Das sagt uns, dass Objekte wie Weiße Zwerge möglicherweise über einen relativ langen Zeitraum sehr nahe an einem Ereignishorizont leben können.“
Die Forscher präsentieren ihre Ergebnisse heute auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland.
Wenn ein Weißer Zwerg die Ursache des mysteriösen Blitzens des Schwarzen Lochs ist, würde er auch Gravitationswellen aussenden, und zwar in einem Bereich, der von Observatorien der nächsten Generation wie der Laser Interferometer Space Antenna (LISA) der NASA erfasst werden könnte.
„„Diese neuen Detektoren sind darauf ausgelegt, Schwingungen im Minutenbereich zu erkennen, sodass dieses Schwarze-Loch-System genau das Richtige ist“, sagt Co-Autorin Erin Kara, außerordentliche Professorin für Physik am MIT.
Zu den weiteren Co-Autoren der Studie gehören die MIT-Kavli-Mitglieder Christos Panagiotou, Joheen Chakraborty, Kevin Burdge, Riccardo Arcodia, Ronald Remillard und Jingyi Wang sowie Mitarbeiter mehrerer anderer Institutionen.
Nichts Normales
Kara und Masterson waren Teil des Teams, das 2018 1ES 1927+654 beobachtete, als die Korona des Schwarzen Lochs dunkel wurde und sich dann im Laufe der Zeit langsam wieder aufbaute. Eine Zeit lang war die neu gebildete Korona – eine Wolke aus hochenergetischem Plasma und Röntgenstrahlen – das hellste Röntgenstrahlen emittierende Objekt am Himmel.
„Es war immer noch extrem hell, obwohl es ein paar Jahre lang nichts Neues gemacht hat und irgendwie vor sich hin gurgelte. Aber wir hatten das Gefühl, dass wir es weiter beobachten mussten, weil es so schön war“, sagt Kara. „Dann ist uns etwas aufgefallen, was es so noch nie zuvor gegeben hat.“
Im Jahr 2022 untersuchte das Team Beobachtungen des Schwarzen Lochs mit dem XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation, einem weltraumgestützten Observatorium, das Röntgenemissionen von Schwarzen Löchern, Neutronensternen, Galaxienhaufen und anderen extremen kosmischen Quellen erkennt und misst . Sie bemerkten, dass die Röntgenstrahlen des Schwarzen Lochs offenbar mit zunehmender Frequenz zu pulsieren begannen. Solche „quasiperiodischen Schwingungen“ wurden nur in einer Handvoll anderer supermassereicher Schwarzer Löcher beobachtet, in denen Röntgenblitze mit regelmäßiger Frequenz auftreten.
Im Fall von 1ES 1927+654 schien das Flackern über einen Zeitraum von zwei Jahren stetig zuzunehmen, von alle 18 Minuten auf alle sieben Minuten.
„Wir haben noch nie eine so dramatische Variabilität in der Geschwindigkeit gesehen, mit der es blinkt“, sagt Masterson. „Das sah überhaupt nicht wie ein normales Schwarzes Loch aus.“
Die Tatsache, dass der Blitz im Röntgenband entdeckt wurde, deutet auf die starke Möglichkeit hin, dass sich die Quelle irgendwo sehr nahe am Schwarzen Loch befindet. Die innersten Regionen eines Schwarzen Lochs sind extrem energiereiche Umgebungen, in denen Röntgenstrahlen durch sich schnell bewegendes, heißes Plasma erzeugt werden. In größeren Entfernungen ist es weniger wahrscheinlich, dass Röntgenstrahlen gesehen werden, da dort Gas langsamer in einer Akkretionsscheibe kreisen kann. Die kühlere Umgebung der Scheibe kann optisches und ultraviolettes Licht emittieren, sendet jedoch selten Röntgenstrahlen aus.
„„Wenn man etwas in den Röntgenstrahlen sieht, sagt man schon, dass man sich ziemlich nahe am Schwarzen Loch befindet“, sagt Kara. „Wenn man Schwankungen auf der Zeitskala von Minuten sieht, ist das nahe am Ereignishorizont und das Erste, was einem in den Sinn kommt.“ ob es sich um eine Kreisbewegung handelt und ob etwas das Schwarze Loch umkreisen könnte.
Röntgen-Kick-up
Was auch immer die Röntgenblitze erzeugte, es tat dies in extrem geringer Entfernung vom Schwarzen Loch, das nach Schätzungen der Forscher nur wenige Millionen Meilen vom Ereignishorizont entfernt liegt.
Masterson und Kara erforschten Modelle für verschiedene astrophysikalische Phänomene, die die von ihnen beobachteten Röntgenmuster erklären könnten, einschließlich einer Möglichkeit im Zusammenhang mit der Korona des Schwarzen Lochs.
„Eine Idee ist, dass diese Korona oszilliert, vielleicht hin und her schwankt, und wenn sie anfängt zu schrumpfen, werden diese Schwingungen schneller, je kleiner die Schuppen werden“, sagt Masterson. „Aber wir befinden uns noch in einem sehr frühen Stadium des Verständnisses koronaler Schwingungen.“
Ein wahrscheinlicheres Szenario, das Wissenschaftler physikalisch besser verstehen, betrifft den waghalsigen Weißen Zwerg.
„Diese Dinge sind wirklich klein und ziemlich kompakt, und wir vermuten, dass es sich um einen Weißen Zwerg handelt, der dem Schwarzen Loch so nahe kommt“, sagt Masterson.
Nach ihrer Modellierung schätzen die Forscher, dass der Weiße Zwerg etwa ein Zehntel der Sonnenmasse gehabt haben könnte. Im Gegensatz dazu liegt das supermassive Schwarze Loch selbst in der Größenordnung von 1 Million Sonnenmassen.
Wenn ein Objekt einem supermassiven Schwarzen Loch so nahe kommt, werden voraussichtlich Gravitationswellen ausgesendet, die das Objekt näher an das Schwarze Loch heranziehen. Je näher er kreist, desto schneller bewegt sich der Weiße Zwerg, was die vom Team beobachtete zunehmende Häufigkeit der Röntgenoszillationen erklären kann.
Der Weiße Zwerg befindet sich praktisch am Abgrund, dass es kein Zurück mehr gibt, und wird geschätzt, dass er nur noch wenige Millionen Meilen vom Ereignishorizont entfernt ist. Allerdings sagen die Forscher voraus, dass der Stern nicht hineinfallen wird. Während die Schwerkraft des Schwarzen Lochs den Weißen Zwerg möglicherweise nach innen zieht, wirft der Stern auch einen Teil seiner äußeren Schicht in das Schwarze Loch ab. Diese Ablösung wirkt wie ein kleiner Rückstoß, so dass der Weiße Zwerg – selbst ein unglaublich kompaktes Objekt – dem Überschreiten der Grenze des Schwarzen Lochs widerstehen kann.
„Da Weiße Zwerge klein und kompakt sind, lassen sie sich nur sehr schwer auseinanderreißen, sodass sie einem Schwarzen Loch sehr nahe kommen können“, sagt Kara. „Wenn dieses Szenario zutrifft, befindet sich dieser Weiße Zwerg genau am Wendepunkt, und wir könnten sehen, dass er sich weiter entfernt.“
Das Team plant, das System mit bestehenden und zukünftigen Teleskopen weiter zu beobachten, um die extreme Physik, die im Innersten eines Schwarzen Lochs wirkt, besser zu verstehen. Sie freuen sich besonders darauf, das System zu untersuchen, sobald der weltraumgestützte Gravitationswellendetektor LISA startet – der derzeit für Mitte der 2030er Jahre geplant ist –, da sich die Gravitationswellen, die das System aussenden soll, an einem optimalen Ort befinden werden, den LISA klar erkennen kann .
„Das Einzige, was ich mit dieser Quelle gelernt habe, ist, nie aufzuhören, sie zu betrachten, denn sie wird uns wahrscheinlich etwas Neues lehren“, sagt Masterson. „Der nächste Schritt besteht darin, die Augen offen zu halten.“
