SCHWARZE LÖCHER (BHs)

K1 Korrelation: Schwarz-Loch Masse und Galaxien Leuchtmasse

Beispiele Schwarzer Löcher und mehr zur "Gebhardt - Ferrarese Relation"	Computersimulation von Di Matteo et al.
Lupe: Schwarz Loch Masse M vs Bulge Masse (K. Gebhardt und J. Kormendy)
Lupe: Schwarz Loch Masse M vs Bulge Masse ()

K2 Masse - Teil 1

Welche Masse haben entfernte Schwarze Löcher?
Schwarze Löcher gehören sicherlich zu spannendsten Objekten in der Astronomie. Sie scheinen sich zudem im Zentrum der meisten Galaxien zu verbergen, was sie zu einem bedeutenden Faktor für deren Entwicklung macht. Die Messung der Masse von Schwarzen Löchern in entfernten Galaxien war bislang eine recht unsichere Angelegenheit. Die Untersuchung zweier Forscher der Universität von Texas könnte dies nun ändern.

Auch im Zentrum der Galaxie NGC 3379 vermuten die Forscher ein extrem massereiches Schwarzes Loch. Foto: STScI, Karl Gebhardt (University of Michigan), Tod Lauer (NOAO)

Dr. Karl Gebhardt und Dr. John Kormendy von der Universität von Texas in Austin sind regelrechte Schwarze Loch-Jäger: Bisher wurden einige Dutzend Schwarze Löcher im Zentrum anderer Galaxien aufgespürt und vermessen - davon gingen allein 13 auf Gebhardts und sechs auf Kormendys Konto.

Schwarze Löcher sind Objekte, die so viel Materie auf einem kleinen Raum vereinigen, dass ihre Schwerkraft stark genug ist, um auch das Licht am Entkommen zu hindern. In der Astronomie unterscheidet man im allgemeinen zwei Arten von Schwarzen Löchern: die stellaren und die supermassereichen Schwarzen Löcher. Während erstere eine Folge des Todes eines massereichen Sterns sind - also aus der normalen Sternentwicklung folgen - und nur wenig mehr Masse haben als etwa unsere Sonne, sind die supermassereichen Schwarzen Löcher wahre Monster: Sie findet man im Zentrum vieler Galaxien. Ihre Masse beträgt das Millionen bis Milliardenfache der Masse unserer Sonne.

Wie ihr Name schon andeutet, lassen sich Schwarze Löcher nicht direkt beobachten: Stattdessen untersucht man die Bewegungen der Stern und des Gases um das Schwarze Loch herum und versucht daraus, die Masse des zentralen Objektes zu bestimmen. Diese zentrale Regionen von Galaxien sind oft extrem hell, da das Gas, was gerade in das Schwarze Loch stürzt, hohe Temperaturen hat und eine extreme Strahlung aussendet. So kann man auch diese helle Zentren von Galaxien in weiter Entfernung erkennen - außer dem hellen Zentrum sieht man von der Galaxie oft nichts mehr. Solche Objekte nennen die Astrophysiker Quasare.

Will man die Masse eines Schwarzen Loches aus der Bewegung der Sterne und des Gases um das Zentrum herum bestimmen, ist man auf detaillierte Beobachtungsdaten angewiesen, die nur für relativ nahe Galaxien vorhanden sind. Quasare sind hingegen sind so weit entfernt, dass diese direkte Bestimmungsmöglichkeit nicht zur Verfügung steht. Dabei erhoffen sich die Forscher gerade von Quasaren, die wegen ihrer Entfernung auch einen Blick in die Geschichte des Universums zulassen, interessante Informationen über die Entstehung von Galaxien und deren Entwicklung.

Um die Masse der Schwarzen Löcher in Quasaren zu messen, ist man also auf indirekte Methoden angewiesen, die etwa versuchen, durch Helligkeitsschwankungen von riesigen Gaswolken um das Schwarze Loch herum deren Entfernung vom Zentrum zu bestimmen, aus der man dann zusammen mit der Geschwindigkeit der Wolken eine Abschätzung für die Masse des Schwarzes Loches errechnet. Da man aber wenig über die Gaswolken weiß, ist diese Methode recht unsicher. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, einen bisher nicht verstandenen Sachverhalt auszunutzen, der besagt, dass die Strahlungsmenge, die eine das Schwarze Loch umlaufende Gaswolke abstrahlt, direkt von ihrer Entfernung vom Schwarzen Loch abhängt.

Wegen der vielen Unsicherheiten dieser indirekten Methoden haben Astronomen bislang gezögert, den daraus resultierenden Ergebnissen zu vertrauen. Gebhardt und Kormendy verglichen die Methoden aber nun mit Ergebnissen aus direkten Messungen der Masse von Schwarzen Löchern, die für 38 Galaxien vorliegen. Das Ergebnis: Beide Methoden führen zum selben Verhältnis von Masse des Schwarzen Loches zur Masse der Galaxie. Daher hoffen die Astronomen nun, auch die Massen von Schwarzen Löchern in entfernten Quasaren bestimmen und so vielleicht sogar deren Wachstum im frühen Universum studieren zu können.

K3 Masse - Teil 2

Welche Masse haben entfernte Schwarze Löcher?
Astronomen des Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC) in La Laguna auf Teneriffa haben durch Auswertung von Beobachtungsdaten von verschiedenen Teleskopen eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht: Die Masse der supermassereichen Schwarzen Löcher, die im Zentrum der meisten Galaxien vermutet werden, hängt direkt mit der Verteilung der Sterne in der Galaxie zusammen.

Künstlerische Darstellung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie. Bild: Gabriel Pérez Díaz / IAC

Supermassereiche Schwarze Löcher verbergen sich nach Ansicht der Astronomen ist fast jeder Galaxie, auch im Zentrum unserer Milchstraße. Im Gegensatz zu stellaren Schwarzen Löchern, die das Endstadium im Leben eines massereichen Sterns darstellen und eine Masse haben, die sich nicht so dramatisch von der unserer Sonne unterscheidet, haben supermassereiche Schwarze Löcher Massen vom Millionen- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotz dieses unvorstellbaren Massengehalts dürften der Ereignishorizont dieser Schwarzen Löcher, also jene Grenze aus der kein Licht mehr entkommen kann, nur etwa den vierfachen Umfang unserer Sonne haben.

Die Untersuchung der Wissenschaftler in Spanien ergab nun, dass die Verteilung der Sterne in einer Galaxie - egal ob Spiralgalaxie oder elliptische Galaxie - direkt mit der Masse des zentralen Schwarzen Lochs zusammenhängt. Dabei zeigte sich, dass kleine Galaxien nicht einfach nur eine Miniaturausgabe größerer Galaxien sind, sondern dass sie sich deutlich voneinander unterscheiden: So sind die Sterne in massereicheren Galaxien stärker zum Zentrum hin konzentriert. Der Grad der Konzentration, so konnten die Forscher nun zeigen, korreliert sehr präzise mit der Masse des zentralen Schwarzen Lochs.

"Dies ist ein sehr wichtiger Fund, durch den wir uns weitere Erkenntnisse sowohl über die Entstehung von Galaxien als auch über die der Schwarzen Löcher erhoffen", unterstreicht Projektleiter Dr. Alister Graham die Bedeutung der Ergebnisse. "Jetzt wissen wir, dass jede Theorie über das Anwachsen von supermassereichen Schwarzen Löchern auch die globale Struktur der Galaxie berücksichtigen muss, in der sich das Schwarze Loch befindet."

Eine natürliche Erklärung für den gefundenen Sachverhalt ist, dass in Galaxien, die zum Zentrum hin mehr Sterne aufweisen, dem zentralen Schwarzen Loch effektiver neues Material zugeführt werden kann, wodurch es anwächst. Es ist allerdings möglich, so die Forscher, dass es zwei unterschiedliche Prozesse gibt: Einen, der für das Aussehen der Galaxien verantwortlich ist und einen, der das supermassereiche Schwarze Loch entstehen lässt. Zudem ist die Frage bislang ungeklärt, ob vor den Galaxien bereits kleinere so genannte primordiale Schwarze Löcher existierten.

Die Entdeckung hat aber einen praktischen Vorteil: Durch die gefundene Relation kann die Masse von Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien allein durch die Auswertung von Bildern von Galaxien ermittelt werden: Aus dem Verlauf der Helligkeit vom Zentrum zum Rand der Galaxie lässt sich nämlich die Konzentration bestimmen und somit die Schwarze Loch-Masse. So können eine Vielzahl von entfernten Galaxien sehr einfach untersucht werden. Da wir diese Galaxien aber zu einem Zeitpunkt sehen, zu dem diese noch deutlich jünger waren, erhoffen sich die Astronomen auf diese Weise auch neue Erkenntnisse über die Entwicklung der Schwarzen Löcher im Laufen der Zeit.

K4 NGC 1313 Mounting evidence for middleweight black holes

[March 27, 2003] Astronomers zero in on a new class of black holes.
Until recently, black holes were thought to come in only two sizes — small and large. Recent studies, however, have suggested the controversial existence of a third, medium-sized version of these cosmic beasts.

In this artist's concept, an intermediate-mass black hole feeds from a star that has wandered too close. Material from the star forms an accretion disk around the black hole and jets perpendicular to the disk.
David A. Aguilar / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Scientists are not in agreement over the existence of intermediate-mass black holes, however, which seem to harbor the mass of hundreds to tens of thousands of suns. Fabbiano first observed objects suspected to be intermediate-mass black holes in 1989 with the Einstein X-ray Observatory. Several more objects were discovered through the 1990s and were labeled ultra-luminous X-ray sources (ULXs), for they are exceedingly bright yet compact.

Over the last three years, several observations provided compelling evidence that ULXs were black holes. Yet scientists could not rule out the possibility that these bright objects were less exotic sources with all of their energy (or light) beamed in our direction, making them appear intrinsically brighter than they really are.

Using the European Space Agency's XMM-Newton satellite, astronomers have found fresh evidence in a spiral galaxy 10 million light-years distant that supports the reality of the new, exotic species of black holes.

The subject of much debate over the past few years, middleweight black holes are several hundreds to tens of thousands times more massive than their stellar cousins found scattered across our own Milky Way Galaxy. Created by supernova explosions, the small-sized stellar black holes are mere remnants of massive stars only a few times the size of our own sun. At the opposite end of the range are the supermassive black holes, possibly formed from the collapse of huge clouds of gas. Ranging from several million to billions of solar masses these giant monsters reside at the heart of galaxies and drive quasars. Now the race is on to find conclusive evidence proving the existence of the elusive mid-sized versions.

Using the ultra-high x-ray resolution capabilities of XMM-Newton and exposures lasting over eight hours, Miller and colleagues were able to spy on two strong, distinct x-ray sources within the outer disk of the nearby galaxy NGC 1313.

Dubbed NGC 1313 X-1 and NGC 1313 X-2 these puzzling objects are approximately 3,000 and 25,000 light-years from the galaxy's center, respectively. Thought to be black holes, they are categorized as ultra-luminous x-ray sources (ULXs) because they appear to be bright, compact objects.

The starburst galaxy NGC 1313 has an irregular shape and contains patches of young, bright stars.
Digitized Sky Survey

Current black hole theory states that the more massive a black hole is, the cooler the temperature of its inner accretion disk is. Using XMM-Newton, Miller's group made precise temperature measurements of the inner part of the two objects' disks. After studying the most luminous and closest areas surrounding these candidate black holes, the team members believe that they have been able to pin down the most accurate mass measurements ever made for this type of system. Miller and his teammates found that X-1 and X-2 each contain about 200 to 500 solar masses, providing compelling evidence that the two ULXs are indeed intermediate black holes.

"Evidence is mounting that these elusive intermediate-mass black holes may really exist," Miller says. "The mystery, really, is how they can exist."

For now the jury still appears to be out on how these mid-sized black holes originate. "Three basic scenarios have been suggested," says University of Maryland researcher Cole Miller, one of the collaborators in this study.

The ideas, he says, are "direct collisions and mergers of stars within globular clusters, the collapse of extremely massive stars that may have existed in the early universe, or the merger of smaller black holes."

H. Heintzmann

( Eintrag vom 21.03.2005)

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