#„Fressverhalten“ zeigt Masse an

Wie schwer sind die supermassereichen Schwarzen Löcher, die meist unsichtbar im Herzen von Galaxien sitzen? Im Flackern des Lichts der Materiescheiben um solche Schwarzen Löcher spiegelt sich ihre Masse wider, geht aus einer Studie hervor. Dieser Zusammenhang bietet damit eine neue Möglichkeit zur Charakterisierung der geheimnisvollen Schwerkraftriesen mithilfe optischer Beobachtungen. Zudem könnte das Verfahren dazu beitragen, die schlecht verstandenen Prozesse in Akkretionsscheiben besser zu durchschauen, sagen die Astronomen.

Ihre Gravitationskraft ist so stark, dass ihnen nicht einmal das Licht entkommt: Wegen ihrer spektakulären physikalischen Merkmale und kosmischen Bedeutung stehen die Schwarzen Löcher besonders im Fokus der Astrophysik. Auf ihre Massen schloss man bisher durch ihre Wirkung auf die Umgebung. Sie kommen demnach in drei Kategorien vor. Es gibt stellare Schwarze Löcher mit einer Masse, die bis zum Zehnfachen der Sonnenmasse reicht, Exemplare mittlerer Masse, die etwa 100- bis 100.000-mal so viel wie unserer Sonnen wiegen und dann gibt es noch die absoluten Gravitationsmonster: Supermassereiche Schwarze Löcher sind Millionen bis Milliarden Mal massereicher als die Sonne und sitzen typischerweise im Zentrum von Galaxien.

Noch immer geben gerade die Riesen unter den Schwarzen Löcher den Astronomen viele Rätsel auf. So ist auch unklar, wie sie sich bilden und wachsen. Zur Erforschung dieser Frage wäre es günstig, eine weitere Methode nutzen zu können, um ihre Massen zu bestimmen. Eine solche Möglichkeit zeigt nun das Forscherteam unter der Leitung der University of Illinois in Urbana Champaign auf. Im Visier der Astronomen standen dabei zunächst aktive Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) im Zentrum von Galaxien – beziehungsweise die Materiescheiben, aus denen ihnen „Nahrung“ zufließt. Diese Akkretionsscheiben sind etwa so groß wie unser Sonnensystem und können aufgrund der Prozesse des „Verspeisens“ starke Strahlung abgeben. Oft kann diese sogar das Leuchten der ganzen Galaxie überstrahlen.

Gibt es charakteristische Muster im Flackern?

Es ist bekannt, dass das Licht des „Loch-Futters“ flackert: Aufgrund physikalischer Prozesse, die noch nicht vollständig verstanden sind, schwankt die Strahlung über Zeitskalen von Stunden bis Jahrzehnten. „Es gab bereits Versuche, Zusammenhänge zwischen dem beobachteten Flackern und der Masse von SMBHs herzustellen, aber die Ergebnisse waren nicht schlüssig“, so Erstautor Colin Burke. Für ihre Studie haben er und seine Kollegen deshalb nun einen Datensatz von 67 aktiven SMBHs mit bekannten Massen zusammengestellt, um die Variabilitätsmuster der Strahlung umfangreicher analysieren zu können.

Wie die Forscher berichten, konnten sie dadurch nun Muster identifizieren, die einen Zusammenhang zwischen dem Flackern und der Masse von SMBHs klar aufzeigen: Sie stellten einen charakteristischen zeitlichen Verlauf im Flackern fest, der eng mit den bekannten Merkmalen des jeweiligen Schwarzen Lochs korrelierte. Anschließend erweiterten sie ihre Untersuchungen auch auf wachsende Weiße Zwergsterne, die ebenfalls flackernde Akkretionsscheiben besitzen können. Dabei handelt es sich um Überreste von Sternen von der Masse unserer Sonne. So stellten die Wissenschaftler fest, dass dieselbe Flacker-Masse-Relation auch bei diesen Himmelskörpern vorliegt, obwohl Weiße Zwerge millionen- bis milliardenfach weniger massereich sind als SMBHs.

Potenzial für die Astronomie

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Prozesse, die das Flackern während der Akkretion antreiben, universell sind – unabhängig davon, ob das zentrale Objekt ein supermassives Schwarzes Loch oder ein viel leichterer Weißer Zwerg ist“, sagt Co-Autor Yue Shen. Sein Kollege Yan-Fei Jiang vom Center for Computational Astrophysics in New York ergänzt: „Der Zusammenhang zwischen dem beobachteten Lichtflimmern und den grundlegenden Eigenschaften des Zentrums könnte uns somit nun auch dabei helfen, Akkretionsprozesse besser zu verstehen“.

Wie die Wissenschaftler hervorheben, könnten die Ergebnisse aber vor allem Licht auf die bisher kaum erforschten mittelgroßen Schwarzen Löcher (IMBHs) werfen: „Jetzt, da die Korrelation klar ist, können wir vorhersagen, wie das Flackersignal der mittelgroßen Exemplare aussehen könnte“, so Burke. In diesem Zusammenhang hoffen die Wissenschaftler nun auf die Daten der Himmelsdurchmusterung durch das Projekt Legacy Survey of Space and Time (LSST) ab Ende 2023. „Die Auswertung des LSST-Datensatzes zur Suche nach Flackermustern, die mit akkretierenden IMBHs übereinstimmen, hat das Potenzial, diese seit langem gesuchte mysteriöse Population Schwarzer Löcher zu entdecken und zu untersuchen“, sagt Coautor Xin Liu University of Illinois.

Video: Künstlerische Darstellung des Lichtflackerns bei einem supermassiven Schwarzen Loch. (Credit: Mark A. Garlick / Simons Foundation)

Quelle: University of Illinois at Urbana Champaign, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abg9933

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