Flackerndes Licht vom schwarzen Loch in KV UMa

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Schwarze Löcher saugen mit ihrer enormen Schwerkraft Gas aus der Umgebung auf. Stürzt es in die Schwerkraftfalle hinein, so erhitzt es sich und sendet Röntgenstrahlung aus. Nach der gängigen Theorie müssten die Röntgenblitze auch umgebende Materie aufheizen und zum Leuchten im sichtbaren Licht anregen. Durch gleichzeitige Messung von Röntgenstrahlung und sichtbarem Licht sollte dieses "Lichtecho" nachweisbar sein. Die besten Messungen dieser Art haben Astronomen von den beiden Garchinger Max-Planck- Instituten für extraterrestrische Physik (MPE) und für Astrophysik (MPA) gewonnen.

Abbildung 1: Illustration der schnell variablen Strahlungsprozesse aus der Umgebung des schwarzen Loches XTE J1118+480 (=KV UMa) nach zeitgleichen Messungen im Röntgen- und optischen Licht. Gasströme von einem Begleitstern (links) bilden eine Akkretionsscheibe um das Loch (dunkelrot und grau dargestellt). Masse aus der Scheibe stürzt in das schwarze Loch (das selbst unsichtbar ist), und geben während des Absturzes sowohl Strahlung im Röntgenbereich (weiss) als auch Plasmaausflüsse ab. Ein langsamer Ausfluss strahlt zeitverzögert nach einer Laufzeit von ca. 0.5 Sekunden intensiv im ultravioletten (violett) optischen (grün) und infraroten (rot) Licht. Ein sehr schneller Jet, der Radioemission in einem Abstand weit ausserhalb der Abbildung abstrahlt, ist als diffus blaue Struktur senkrecht zur Akkretionsscheibe dargestellt.

Die Garchinger Forscher hatten sich für ihre Untersuchungen einen etwa 6000 Lichtjahre entfernten Himmelskörper mit der Bezeichnung XTE J1118+480 (offiziell jetzt KV Ursa Majoris genannt) ausgewählt. Auf Grund früherer Beobachtungen vermuten die Forscher dort ein Schwarzes Loch, das mehr als die sechsfache Sonnenmasse besitzt. Von einem Begleitstern strömt Gas zum Schwarzen Loch hinüber, das sich zunächst in einer Scheibe um es herum ansammelt. Von dort aus strudelt es nach und nach in den kosmischen Mahlstrom hinein. Kommt es hierbei zu Störungen, bei denen größere Gaswolken in das Schwarze Loch hineinstürzen, strahlt das Gas einen intensiven Röntgenblitz ab.

Abbildung 2: Das OPTIMA-Photometer am Cassegrain-Fokus des 1.2m Teleskopen auf mt. Skinakas, Kreta. (Das Observatorium ist ein gemeinsames Projekt der Foundation of Research and Technology Hellas, und das MPI für Extraterrestrische Physik).

Kanbach und seine Kollegen beobachteten XTE J1118+480 im Juli vergangenen Jahres gleichzeitig im Röntgenbereich mit dem amerikanischen Weltraumteleskop Rossi XTE und im sichtbaren Licht mit dem Skinakas Teleskopen auf Kreta. Für ihre dortigen Messungen verwendeten sie das am Max-Planck- Institut für extraterrestrische Physik entwickelte Instrument OPTIMA; es erlaubt die Messung sehr rascher Helligkeitsänderungen. Mit diesen Synchronbeobachtungen gelang es ihnen, schnelle Variationen der Röntgenstrahlung und des optischen Lichts auf Zeitskalen von Millisekunden miteinander zu korrelieren. "Zu unserer Überraschung zeigte sich jedoch, dass die optische Strahlung viel schneller auf Variationen der Röntgenstrahlung reagiert als wir es auf Grund des bisherigen Modells erwartet hatten", sagt Henk Spruit. Tatsächlich folgte nach jeweils einem Röntgenausbruch ein Helligkeitsanstieg im sichtbaren Bereich schon nach etwa einer Zehntelsekunde (Abb. 3).

Abbildung 3: Die Zeitverzögerung des sichtbaren Lichts gegenüber der Röntgenstrahlung, dargestellt durch die sog. `cross correlation´. Das Licht steigt steil an nach t=0 (dem Zeitpunkt der Röntgenemission) und klingt dann in etwa 5 sec wieder ab. Im Modell wird dieses Verhalten erklärt mit Zyklotronstrahlung von einem magnetisch angetriebenen Materieausfluss. Zusätzlich gibt es vorher ein absinken der Korrelation, als ob das das sichtbare Licht eine `Vorahnung´ der bevorstehenden Röntgenstrahlung hätte. Eine Erklärung dafür gibt es noch nicht.

Die Forscher interpretieren diese Beobachtung als Hinweis auf einen Materieausfluss vom Schwarzen Loch. Demnach lenken Magnetfelder einen Teil des auf das Schwarze Loch zuströmenden Gases um und beschleunigen es von der Scheibe weg. Jedes Mal, wenn eine große Gaswolke in Richtung Schwarzes Loch fällt, gerät auch mehr Materie in den abströmenden Gasstrom. In ihm bilden sich dann Wellen, die den beobachteten Lichtblitz aussenden. Einfachen Abschätzungen zu Folge müsste dieser Ausstrom mit weniger als zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit erfolgen. Die optische Emission käme dann aus einer Region in etwa 20.000 Kilometern Entfernung vom Schwarzen Loch. Die Zeitverzögerung des sichtbaren Lichts gegenüber dem Röntgenausbruch wird so durch eine Laufzeitverzögerung erklärt.

Dieser relativ langsame Ausstrom wäre ein neues Phänomen in der Umgebung eines Schwarzen Lochs. Bislang sind ausschließlich stark gebündelte Gasstrahlen (Radiojets) bekannt, in denen sich die Teilchen mit bis zu 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit vom Schwarzen Loch fortbewegen. Ob die neue Interpretation stimmt, wollen die Forscher mit weiteren Beobachtungen an ähnlichen Quellen überprüfen. Denn XTE J1118+480 ist nach seinem siebenmonatigen Ausbruch im Jahr 2000 erloschen.

Henk Spruit (MPA), Gottfried Kanbach (MPE)


Weitere Informationen:

• Kanbach, G., Straubmeier, C., Spruit, H.C., & Belloni, T., Fast X-ray and optical variability in the black hole candidate XTE J1118+480, Nature 414, 180 (2001)
• Flackerndes Licht vom Schwarzen Loch, MPG Presseinformation, (2001)