Schwarze Löcher

Raubtierfütterung

Im letzten Kapitel wurde schon kurz erwähnt, dass Schwarze Löcher in der Realität in den allermeisten Fällen von Materie umgeben sein werden. Wie dicht diese Materie ist hängt davon ab, in welcher Region sich das Loch befindet. Hält es sich im intergalaktischen Raum auf, wird es nur von ein paar Atomen je Kubikmeter umgeben sein. An solchen Orten dürfte man allerdings selten auf Schwarze Löcher stoßen. Sie entstehen ja durch den Kollaps sehr massereicher Sterne, die sich aber durch ihre extrem schnelle Entwicklung nicht weit von ihrer Geburtsstätte entfernen können. Wenn wir also auf die Suche gehen wollen, sollten wir zunächst die Sternentstehungsgebiete in den Spiralarmen der Galaxien durchforsten. Hier können die Schwarzen Löcher von dichten Materiewolken umgeben sein, und das macht sie für uns sichtbar!

Wenn ein Körper von Materie umgeben ist, so übt er eine Anziehungskraft auf diese aus. Anziehungskräfte können enorme Größen annehmen, wenn wir z.B. an eine bestimmte Art von Röntgendoppelsternen denken (siehe hierzu auch "kataklysmische Veränderliche").

In solchen Systemen ist ein Weißer Zwerg von Erdgröße in der Lage, einen gigantischen Roten Riesen regelrecht aufzusaugen. Diesen Vorgang nennt man Akkretion (lat. accretio, "Zuwachs"). Wie in dieser Darstellung gezeigt, fließt Materie vom Roten Riesen über zu einem gravitationsstarken Weißen Zwerg. Die vom Roten Riesen stammende Materie fällt nicht einfach auf den Zwergstern herunter, sondern bewegt sich auf spiralförmigen Bahnen zum Zwerg und geht dort vorübergehend in Keplersche Umlaufbahnen über. Durch Scherung und Turbulenzen wird Drehimpuls in der gebildeten Materiescheibe nach außen transportiert, so dass Teilchen bzw. Partikel immer weiter nach innen wandern und schließlich zum Zwerg gelangen. Akkretion spielt nicht nur bei Röntgendoppelsternen eine wichtige Rolle, sondern auch bei gerade erst entstandenen Sternen und in den Zentren aktiver Galaxien (AGN, Active Galactic Nuclei).

Akkretion ist also kein seltener Vorgang im Kosmos. Dieses gravitationsbedingte Aufsammeln von Materie kann gehemmt werden durch den Gasdruck und durch Drehimpuls. Der Gasdruck kann aber durch Kühlung (einfache Wärmeabstrahlung) gemindert werden, Drehimpuls lässt sich umverlagern. Das geschieht in einer sich um das Schwarze Loch (oder den Stern) bildenden Akkretionsscheibe. Akkretionsscheiben entstehen, wenn die Scheibenmasse gering im Vergleich zu der des Zentralkörpers ist und die Geschwindigkeit der thermischen Teilchenbewegung geringer ist als die Umlaufgeschwindigkeit.

In der elliptischen Galaxie NGC 7052 hat das Hubble- Weltraumteleskop ein Schwarzes Loch entdeckt (links die Aufnahme eines erdgebundenen Teleskops). Was auf dem rechten Bild fast wie eine Radkappe aussieht, ist eine gigantische Akkretionsscheibe von 3700 Lichtjahren Ausdehnung im Zentrum der Galaxie. Diese riesige Staubmenge stammt vermutlich aus der Kollision mit einer anderen Galaxie, das Schwarze Loch benötigte mehrere Millionen Jahre um diese Scheibe auszubilden. Das Loch hat inzwischen eine Größe von 300 Millionen (!) Sonnenmassen erreicht.

Mit freundlicher Genehmigung von Roeland P. van der Marel (STScI), Frank C. van den Bosch (University of Washington), and NASA

Akkretionsscheiben sind normalerweise axialsymmetrisch und sehr dünn.

Sie bilden sich aus, wenn relativ kühles und drehimpulsarmes Material aufgesammelt wird. Die Kühlung erfolgt recht leicht durch einfache Abstrahlung der Wärmeenergie. Der Drehimpuls kann dann in der Scheibe abgebaut werden. Zum Verständnis dieses Vorgangs müssen wir uns vor Augen halten, dass in der Akkretionsscheibe differentielle Rotation vorherrscht. Das bedeutet, dass die Umlauf (Winkel) -geschwindigkeit im Scheibenzentrum am größten ist und nach außen hin abnimmt. Hinzu kommt die zum Zentrum hin zunehmende Materiedichte.

Mit freundlicher Genehmigung von Michael Owen, John Blondin (North Carolina State Univ.)

So bleibt es nicht aus, dass zwischen den Teilchen der Materie eine Reibung entsteht, wodurch sich das Material aufheizt. Radial benachbarte Regionen der Scheibe sind durch thermische (und/oder magnetische) Turbulenzen aneinander gekoppelt, innen rotierende Materie versucht benachbarte Regionen mitzureißen. Die Trägheit der weiter außen rotierenden Partikel erzeugt aber einen Bremseffekt. Allerdings sind die Scherkräfte in einer Keplerscheibe rotierenden Gases längst nicht hoch genug, um hydrodynamische Turbulenzen zu erzeugen (hydrodynamisch deshalb, weil sich die Materie in der Scheibe ähnlich einer Flüssigkeit verhält). Die genauen Vorgänge in Akkretionsscheiben sind daher noch nicht eindeutig geklärt. Hier könnten aber magnetische Effekte eine wesentliche Rolle spielen. Die Temperaturen in Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher können sehr hohe Werte erreichen, bis zu vielen Millionen [K], vor allem in Nähe des Horizontes. Unter diesen Verhältnissen wird jede Form von Materie ionisiert, d.h. die Elektronen lösen sich von den Atomen und wir haben es mit einem Plasma zu tun. Aufgrund dieser enormen Temperatur emittieren Akkretionsscheiben überwiegend Röntgenstrahlung. Allerdings "kühlen" sich die Röntgenphotonen zum Teil auch ab, indem sie absorbiert und wieder emittiert werden. Je nachdem, wie oft dieser Vorgang wiederholt wird, ist die Scheibe am Ende auch im sichtbaren Licht zu beobachten. Umgekehrt können "kalte" Photonen auch wieder an Energie gewinnen, wenn sie an den hochenergetischen Teilchen der Scheibe gestreut werden (inverse Comptonstreuung), wodurch erneut Röntgen- oder Gammastrahlung entsteht.

Akkretion kann jedoch selbst dann stattfinden, wenn keine Kühlung durch Wärmeabstrahlung möglich ist. Diesen heißen Materiefluss nennt man ADAF (advection- dominated accretion flow). Die Hitze sorgt dafür, dass sich der Materiefluss regelrecht aufbläht und es nicht mehr zur Ausbildung der beschriebenen Akkretionsscheibe kommt. Vielmehr wird jetzt unser Raubtier aus annähernd kugelförmigen Schalen mit Materie gefüttert.
Doch zurück zu den Akkretionsscheiben:

Durch die Ionisation ist die Materie nun elektrisch geladen und die Reibung kann magnetische Polarisationen ausbilden, falls sie nicht schon von vornherein (z.B. durch den akkretierten Stern) vorhanden waren.

Kerrsches Loch mit Akkretionsscheibe und Magnetfeld

Letzten Endes ist die abgestrahlte Wärmeenergie nichts anderes als umgewandelte und freigesetzte Gravitationsenergie. Durch die Reibung geben die innen umlaufenden Partikel Drehimpuls ab an die weiter außen laufenden. Das bedeutet, dass die innere Materie Drehimpuls verliert und damit zum Zentralkörper stürzen kann. Üblicherweise erfolgt die Abbremsung der inneren Scheibenmaterie recht langsam, weshalb ein Schwarzes Loch durchaus "sparsam" mit seinem "Futter" umgehen kann. Insgesamt aber ist die Umwandlung der Gravitationsenergie sehr effektiv: bis zu 20% der Ruhenergie der Materie wird in Strahlung umgewandelt.

Mit freundlicher Genehmigung von XMM-Newton, ESA, NASA

Bis jetzt haben wir uns Bilder von rotierenden Schwarzen Löchern und ihren Akkretionsscheiben angesehen, wie sie ein Beobachter in der Realität eigentlich nicht wahrnehmen würde. Wir vergaßen nämlich die relativistischen Effekte, die durch die Raumzeitkrümmung hervorgerufen werden!

Was wir hier sehen ist ein verzerrtes Abbild einer äquatorialen Akkretionsscheibe, wenn wir sie unter einem Winkel von 80° zur Symmetrieachse betrachten, wir also fast auf die Kante der Scheibe schauen. Neben der Kepler- Rotation ist in dieser Studie eine radiale Drift berücksichtigt, d.h. ab einem bestimmten Radius bewegt sich Materie im freien Fall auf den Kerr- Geodäten zum Loch. Die Scheibe endet am Rand der inneren Fläche, wobei dieser Rand den Ereignishorizont darstellt (in Wirklichkeit ist die Fläche völlig schwarz, denn durch die Gravitations- Rotverschiebung wird hier jede Strahlung unterdrückt). Die innere Fläche ist dabei das mit a = 0,8 rotierende Kerrsche Loch, welches natürlich nicht zu sehen ist. Was im Bild hell erscheint, ist das auf uns zukommende Licht des rotierenden Plasmas, es wird in unsere Richtung gebündelt. Es handelt sich hierbei um einen relativistischen Effekt ("Beaming"), der von sehr schnell bewegten ("relativistischen") Teilchen ausgeht: In Bewegungsrichtung wird die Strahlung immer mehr gebündelt, je schneller sich das Teilchen bewegt (Forward beaming). Hierdurch erscheint die Strahlungsquelle heller. Auf der anderen Seite wird dagegen die sich von uns wegbewegende Strahlung unterdrückt (Back beaming). Je näher wir zum Ereignishorizont hinüber sehen, umso schwächer wird das Licht, bis es direkt am Rand unendlich rotverschoben ist. Durch die starke Krümmung der Raumzeit sehen wir als Bogen oberhalb des Lochs die Unterseite der vorderen Scheibe. Das eigentlich von uns weggerichtete Licht wird um das Loch herumgelenkt, es wirkt als Gravitationslinse.

Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Andreas Müller, wissenschaftlicher Koordinator im Exzellenzcluster "Origin and Structure of the Universe" der Technischen Universität München.

Bei schnellerer Rotation und veränderten Blickwinkeln wird das ungewöhnliche Bild der Akkretionsscheiben noch asymmetrischer und verzerrter, wie diese Simulation zeigt. Nahe dem Horizont erkennt man sogar Sekundärbilder des Scheibeninnenrandes. In diesem Fall handelt es sich um eine Scheibentrunkation, d.h. die Scheibe umgibt das Schwarze Loch torusförmig, weshalb eine Lücke zwischen Scheibe und Loch besteht.

Quelle: J.- P. Luminet

Die Ausbildung magnetischer Strukturen in den Akkretionsscheiben führt uns zu einem weiteren erstaunlichen Effekt, nämlich der Entstehung so genannter Jets. Nicht alle zum Schwarzen Loch hinabstürzende Materie wird durch den Horizont zur Singularität gezwungen, ein Teil kann auch durch das Magnetfeld abgelenkt werden. Entlang der magnetischen Feldlinien wird die Materie extrem beschleunigt und gelangt zu den Polen des Schwarzen Lochs, von wo sie mit teilweise fast Lichtgeschwindigkeit in den Raum gestoßen wird.

Kerrsche Löcher versetzen alles um sich herum in Rotation. Selbst die umgebende Raumzeit wird unweigerlich von dieser Bewegung zur Rotation gezwungen. Diese Rotation des Lochs kann aber gebremst werden, wenn es von ionisiertem Gas umgeben ist, welches ein Magnetfeld aufweist. Das Loch verhält sich wie ein rotierender elektrischer Leiter, und es bildet sich eine Spannungsdifferenz aus zwischen den Polen und dem Äquator, ganz ähnlich einer Autobatterie. Nur dass hier die Spannungsdifferenz nicht 12 Volt, sondern 10¹⁵ [V] beträgt! Irgendwo weit außerhalb des Lochs schließt sich der Stromkreis. Hier werden geladene Teilchen beschleunigt und bringen letztendlich die Jets hervor, die wir bei vielen Quasaren und ähnlichen Objekten ("AGN") beobachten. Es ist sogar möglich, dass durch die enorme Spannung Teilchen quasi aus dem "Nichts", aus dem (Quanten-) Vakuum erzeugt werden, vor allem Elektronen und Positronen, die beobachtete Synchrotronstrahlung lässt darauf schließen. Die entnommene Energie übt einen Zug auf das rotierende Loch aus, wodurch im Endeffekt die Drehbewegung gebremst wird. Die Rotation kann allerdings auch weiter beschleunigt werden, wenn nämlich das Loch Materie akkretiert und deren Drehimpuls übernimmt.

Jets sind also Ströme extrem beschleunigter Materie, besser gesagt aus Plasma, da wir es mit extrem heißem, hochionisiertem Gas zu tun haben. Sie treten nicht nur bei Schwarzen Löchern auf, sondern auch beispielsweise bei recht jungen Sternen. Die imposantesten Erscheinungen werden jedoch durch Schwarze Löcher initiiert, sie können Jets erzeugen, die sich Millionen von Lichtjahren in den Raum erstrecken.

Einer der bemerkenswertesten Jets stammt aus der Galaxie Centaurus A, fotografiert vom Röntgenobservatorium Chandra . In einer Falschfarben- Komposition sehen wir den Jet im Radiobereich (rot) kombiniert mit dem blauen Röntgenanteil. Produziert wird der Jet von hochenergetischen Teilchen, die vom Zentrum der Galaxie (rechts unten), einem superschweren Schwarzen Loch, ausgestoßen werden. Der Jet schleppt ein Magnetfeld mit, um dessen Feldlinien spiralende relativistische Elektronen Synchrotronstrahlung emittieren. Die Synchrotronstrahlung selbst streut nun wieder am heißen Jetplasma, so dass aus der Radioemission nichtthermische Röntgenphotonen werden.

Mit freundlicher Genehmigung von Chandra Observatory, NASA/ Radio: NRAO, VLA

Wenn sich ein Plasmastrom geradlinig Millionen Lichtjahre in den Raum erstreckt, muss zwangsläufig die ihn speisende Quelle über lange Zeit sehr konstant den Materiestrahl erzeugen. Wenn auch das Plasma sich mit fast Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, so benötigt es doch Millionen von Jahren, um die beobachtete Ausdehnung des Jets zu erreichen. Ein schnell rotierender Kreisel ist ein stabiles System, man kann ihn kaum aus seiner Rotationslage ablenken. Wenn doch, stabilisiert er sich nach kurzer Zeit wieder. Schwarze Löcher sind nichts anderes als gigantische kosmische Kreisel! Ihre unvorstellbar große Rotationsenergie ist die Quelle der Jets.

Die wahrscheinlichste Erklärung zur Entstehung der Jets liefert der so genannte Blandford- Znajek- Prozess (nach Roger Blandford und Roman Znajek, 1977).

Die Rotation eines Schwarzen Lochs versetzt die umgebende Raumzeit in einen wirbelnden Strudel. Davon wird auch das umgebende Magnetfeld betroffen, welches entweder vom akkretierten Gas mitgeführt wurde (fast jedes Gas im Kosmos ist magnetisch), oder durch das Plasma der Akkretionsscheibe selbst entsteht. Die Magnetfeldlinien werden nun korkenzieherartig durch die Rotation außen entlang der Rotationsachse miteinander verdrillt. Seitlich aus der Scheibe einfallende Plasmateilchen werden von den Magnetfeldlinien erfasst und an ihnen entlang zu den Rotationspolen beschleunigt. Das Plasma ist jetzt relativistisch beschleunigt, es wird also mit fast Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen. Die Wechselwirkungen des Plasmas mit Magnetfeldern wird durch die so genannte Magnetohydrodynamik beschrieben.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA und Ann Field (Space Telescope Science Institute)

M 87, eine 50 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie im Sternbild Jungfrau. Sie ist schon lange als Radiogalaxie (Bild links oben) bekannt, von der ein gewaltiger Jet ausgeht. Auch im optischen Bereich ist er zu sehen (Hubble- Aufnahme, rechts oben). Durch riesige Arrays von Radioteleskopen (VLBA, Very Long Baseline Array) konnte das Zentrum des Jets ermittelt werden. Es ist der rote Fleck (Durchmesser: 1/10 Lichtjahr) im unteren Bild, hier verbirgt sich ein Schwarzes Loch von 3 Milliarden Sonnenmassen.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA, National Radio Astronomy Observatory/National Science Foundation, and John Biretta (STScI/JHU)

Nahezu eine Million Lichtjahre lang sind die Jets der Radio- Galaxie 3C296, die der elliptischen Galaxie NGC 5532 entstammt. In dieser Aufnahme, in der ein optisches (blau) dem Radiobild (rot) überlagert ist, sieht man deutlich die großen Radioblasen an den Enden der Jets. Hot spots ("heiße Flecken") entstehen an einer Stoßfront, wenn die Jets auf das intergalaktische Medium auftreffen und das fast mit Lichtgeschwindigkeit strömende Plasma dort urplötzlich abgebremst wird. Die Jetmaterie zerspritzt hier geradezu, denn sie kann nicht weiterströmen und somit bilden sich die großen Radioblasen. Turbulenzen im Jet können kleinere "interne" Stoßfronten ausbilden, die wir als Knoten im Jet beobachten.

Mit freundlicher Genehmigung von AUI, NRAO

Im Galaxien- Cluster Abell 400 findet man eine große (Radio-) Galaxie mit Namen 3C75, die ebenfalls riesige Jets ins All bläst. In dieser Aufnahme, einer Kombination von Bildern im Röntgen- (blau) und Radiobereich (rosa) konnte die Ursache der Jets entlarvt werden: Hier umkreisen sich wahrscheinlich zwei Schwarze Löcher in einem Abstand von 25 000 Lichtjahren. Der Grund: Wir sind Zeuge der Verschmelzung zweier großer Galaxien, welches in einer Distanz von 300 Millionen Lichtjahren passiert. Die beiden Löcher sind gravitativ aneinander gekoppelt und bewegen sich mit 1200 [km/s] durch das mehrere Millionen Grad heiße umgebende Gas, welches intensiv im Röntgenlicht (blau) strahlt. In der Endphase der Verschmelzung werden auch die beiden Löcher sich zu einem vereinigen und damit eine Quelle intensiver Gravitationswellen sein.

Mit freundlicher Genehmigung von: NASA / CXC / D. Hudson, T. Reiprich et al. (Röntgen); NRAO / VLA/ NRL (Radio)

Mehr zur Akkretion: http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_a02.html#akk
Mehr zu Jets: http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_j.html#jet