Das dunkle Reich der Mitte

Tief im Weltraum verbergen sich dunkle Gräber der Vergangenheit. Wenn Astronomen einen Blick hineinwerfen könnten, würden sie – gleich kosmischen Archäologen – etliche Geheimnisse der Vorgeschichte entschlüsseln. Obwohl die Leichenkammern typischerweise nur so groß sind wie ein Planet – in galaktischen Maßstäben also unscheinbare Winzlinge –, tragen sie die Massen von Tausenden Sonnen in sich. In ihnen ruhen Lichtlabyrinthe, ganze Sternarmeen und Paläste aus leuchtendem Gas und Staub. Und die finsteren Löcher warten nur darauf, sich mit ihresgleichen zu verbünden oder als Vasallen noch viel gewaltigerer Dunkelmächte zu den Dreh- und Angelpunkten ganzer Milchstraßen zu werden. Manchmal ist ihre Gier allerdings so groß, dass sie sich doch verraten: Bei interstellaren Raubzügen umgeben sie sich mit irisierendem Prunk und verkünden ihren Beutefang gleichsam in alle Welt hinaus. In sicherem Abstand ziehen irdische Astronomen daraus ihre Schlüsse.

Was sich wie ein Fantasy-Unterhaltungsroman anhören mag, ist ein Thema harter Arbeit an der physikalischen Realität, denn sie gibt ihre Geheimnisse nur widerwillig preis. Wissenschaftler versuchen dem kosmischen Geschehen mit immer leistungsfähigeren Teleskopen und Computersimulationen auf die Schliche zu kommen. Sie ahnen zwar seit Langem, dass es dort draußen ein finsteres Reich der Mitte gibt, doch erst jetzt sind sie fündig geworden.

Die Masse macht’s

Das kosmische Reich der Mitte besteht aus einer neuen Größenklasse Schwarzer Löcher. Sie ist nicht nur ein Schlüssel zur Entwicklungsgeschichte der Galaxien, sondern auch ein Bindeglied zwischen den beiden schon länger bekannten Klassen Schwarzer Löcher: den kleinen stellaren und den riesigen supermassereichen. Was sie unterscheidet, ist die Masse.

Ein stellares Schwarzes Loch entsteht aus dem Kollaps eines ausgebrannten massereichen Sterns, dessen Kern unter seiner eigenen Schwerkraft in sich zusammenstürzt. Es ist zwischen 20 und 600 Kilometer groß und besitzt etwa 3 bis 100 Sonnenmassen. Solche kleinen Schwarzen Löcher kommen millionenfach in jeder größeren Galaxie vor, bleiben aber überwiegend unbeobachtbar, wenn sie nicht gerade große Gasmassen aufheizen und verschlingen. Meist rauben sie die von einem nahen Nachbarstern.

Von den supermassereichen Schwarzen Löchern gibt es in der Regel bloß eines im Zentrum jeder größeren Galaxie – nur wenige der Sterneninseln haben keines oder zwei. Die finsteren Herzen besitzen einen Durchmesser von 5 bis über 60 000 Millionen Kilometer und die Masse von etwa einer Million bis über zehn Milliarden Sonnen. In gewöhnlichen Galaxien machen sie sich nur indirekt über ihre Schwerkraft bemerkbar, indem sie die Bewegung naher Sterne und Gaswolken beeinflussen. Kommt ihnen hingegen Gas oder ein Stern zu nahe, wird die Materie zerrissen und in einer sogenannten Akkretionsscheibe versammelt. Von dort aus strudelt die Materie auf Spiralbahnen in den Raumzeit-Schlund hinein. Dabei werden enorme Energiemengen frei, die sich oft noch über Milliarden Lichtjahre hinweg messen lassen. Diese Schwergewichte unter den Schwarzen Löchern sind gleichsam die Motoren der Aktiven Galaxien, die sich je nach Blickwinkel und Energieausstoß als Blazare, Quasare, Aktive Galaktische Kerne, Seyfert- oder Radiogalaxien bemerkbar machen.

Zwischen stellaren und supermassereichen Schwarzen Löchern sind per Definition die mittelschweren, mittelgroßen oder intermediären Schwarzen Löcher angesiedelt. Ihre Masse beträgt rund 100 bis 1 Million (typischerweise 1000 bis 100 000) Sonnenmassen, was einem Durchmesser von 6000 bis 600 000 Kilometern entspricht. Dass es solche Mittelgewichte geben muss oder zumindest einmal gegeben hat, folgt aus der Existenz der supermassereichen Schwarzen Löcher – denn diese haben ja einmal klein angefangen. Doch wann, wie und wo ist ein Rätsel.

Die Bildung mittelgroßer Schwarzer Löcher war Modellrechnungen und Computersimulationen zufolge im frühen Universum einfacher als heute. Ein bis zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall gab es viel mehr massereiche kurzlebige Sterne als jetzt. Und diese schleuderten zudem weniger Materie ins All, bevor sie kollabierten. Es sind daher zahlreiche stellare Schwarze Löcher entstanden – oft mit jeweils einigen Dutzend Sonnenmassen.

Massenkarambolage in der Urzeit

In dichten Sternhaufen müssen sie sich viel Gas einverleibt und in den Zentralbereichen angesammelt haben. Dort ist es immer wieder zu Kollisionen mit Sternen und zur Verschmelzung der Schwarzen Löcher gekommen, bis sich ein großer Teil der Masse in einer riesigen Schwerkraftfalle konzentriert hat: „The winner takes it all.”

Einem anderen Szenario zufolge spielten zumindest anfangs Vereinigungen von Paaren stellarer Schwarzer Löcher eine wichtige Rolle. Da viele Sterne als Zwillinge entstehen, können diese Doppelsysteme nach ihrem Ableben zwei Schwarze Löcher hinterlassen. Da sie der Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlen, während sie umeinander kreisen, kommen sie sich in ihrem innigen Tanz immer näher, bis es kein Halten mehr gibt. Solche Kollisionen – Erschütterungen der Raumzeit – wollen Astrophysiker mit hochempfindlichen Gravitationswellen-Detektoren in den nächsten Jahren direkt nachweisen. Indirekt sind sie im fernen Universum als kurze, heftige Gammastrahlen-Ausbrüche messbar, teils aus Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren.

Ein intermediäres Schwarzes Loch kann also nicht auf einen Schlag entstanden sein, und schon gar nicht aus dem Kollaps eines einzelnen Sterns, sondern sukzessiv. Diese Mittelgewichte wuchsen dann weiter, sofern sie etwas in die Fänge bekamen. Da die Galaxienbildung ebenfalls hierarchisch ablief – von kleineren Bausteinen zu immer größeren Objekten –, begegneten sich die Mittelgewichte nach und nach und verschmolzen miteinander. Zahlreiche Sternhaufen und Zwerggalaxien vereinigten sich im Lauf der Zeit zu den heutigen Spiralgalaxien und schließlich zu Elliptischen Galaxien – und auch ihre Finsterlinge verschmolzen miteinander. Dies erklärt, warum die Masse der supermassereichen Schwarzen Löcher grob mit der Masse beziehungsweise Leuchtkraft und Sterndynamik ihrer Heimatgalaxien korreliert ist (siehe Beitrag „Kreative Schwerkraftmonster ab Seite 42). Wenn diese Vorstellung zutrifft, ist es nicht verwunderlich, dass mittelgroße Schwarze Löcher im gegenwärtigen Universum selten sind. Die meisten müssten längst in den supermassereichen Zentralfriedhöfen der Galaxien bestattet sein. Doch in Kugelsternhaufen und Zwerggalaxien könnten manche Mittelgewichte bis heute überlebt haben. In jungen Sternhaufen bilden sich vielleicht sogar heute noch Nachzügler. Solche Sternaggregationen sind daher die bevorzugten Objekte von Astronomen, die nach dem Reich der Mitte suchen.

Monströse Röntgenquellen

Bemerkbar machen können sich die dunklen mittelgroßen Löcher genau wie ihre kleineren und größeren Geschwister auf unterschiedliche Weise: Sie dominieren die Bewegung der Sterne und Gaswolken in ihrer Umgebung, und sie sorgen für ein Gewitter an Strahlung, wenn Materie in sie einstürzt. Die Sterndynamik ist der verlässlichere Indikator, allerdings schwieriger messbar und nicht über große Distanzen zu beobachten. Leichter tun sich die Astronomen mit heftigen Röntgenausbrüchen, die in kleinerem Maßstab auch aus der Umgebung stellarer Schwarzer Löcher bekannt sind.

Tatsächlich gibt es im All ultraleuchtkräftige Röntgenquellen, kurz ULX (ultra-luminous X-ray sources) genannt. Diese weithin beobachtbaren Energieschleudern sind selten. Wenn sie in alle Richtungen gleichmäßig strahlen, setzen sie über 1032 Watt beziehungsweise 1039 Erg pro Sekunde im Röntgenbereich zwischen 0,2 und 10 Kiloelektronenvolt frei (1 Erg entspricht 10–7 Joule). Diese Strahlungsleistung kommt zwar nicht an die von aktiven Galaxienzentren heran. Sie übertrifft aber den Ausstoß, der bei Neutronensternen oder stellaren Schwarzen Löchern frei wird, wenn diese die physikalisch höchstmögliche Materiemenge pro Zeiteinheit verschlingen. Daher müssen ULX auf eine andere Weise angetrieben werden als diese sogenannten Röntgen-Doppelsterne.

Die ersten ULX wurden in den 1980er-Jahren vom Einstein-Observatorium (High Energy Astrophysical Observatory 2) entdeckt, einem 1978 gestarteten Röntgensatelliten der NASA. Bei Beobachtungen mit empfindlicheren Röntgensatelliten – ROSAT, Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), XMM-Newton und besonders Chandra – wurden seither viele weitere Quellen lokalisiert und ihre Eigenschaften studiert.

Die meisten Galaxien – wie auch unsere Milchstraße – besitzen keine ultraleuchtkräftige Röntgenquelle, die restlichen meistens nur eine einzige. Dabei sind ULX nicht auf bestimmte Galaxientypen beschränkt. Sie kommen aber häufiger in Galaxien vor, die eine hohe Sternentstehungsrate aufweisen und/oder stark von der Schwerkraft benachbarter Galaxien beeinflusst werden. Eine vor Kurzem veröffentlichte Röntgen-Himmelsdurchmusterung, der „2XMM Serendipitious Survey”, hat 475 ULX-Kandidaten zusammengetragen. Davon wurden 307 in 142 Spiralgalaxien und nur 168 in 98 Elliptischen Galaxien gefunden, obwohl die Elliptischen Galaxien doppelt so häufig im Visier waren. Das deutet auf eine Verbindung von ULX und Sternbildungsprozessen hin, denn zu denen kommt es in Elliptischen Galaxien viel seltener.

Doch nicht alle ULX sind mittelgroße Schwarze Löcher. Bei manchen handelt es sich auch um junge Supernova-Überreste, um Supersterne mit leuchtturmkegelartigen Strahlenbündeln oder um Quasare, die sich zufällig hinter einer Galaxie befinden und als ULX fehlinterpretiert werden. Aber damit lassen sich nicht alle ULX erklären. Aus ihren Helligkeitsveränderungen kann man die Größe der Quelle abschätzen. Und wenn sie in einem Gasnebel stecken und diesen zum Leuchten bringen, zeigt sich, ob es sich um gebündelte Röntgenemission handelt oder aber um einen Rundumstrahler.

Schwerkraftfallen im Grossen Bär

Zwei vielversprechende Kandidaten für mittelgroße Schwarze Löcher hat ein Astronomenteam um Hua Feng von der Tsinghua Universität in China mit Messungen von XMM-Newton und Chandra aufgespürt. Die Kandidaten befinden sich in der zwölf Millionen Lichtjahre fernen Galaxie M 82 im Sternbild Großer Bär. Diese leuchtkräftige Spiralgalaxie ist der nächstgelegene Ort intensiver Sternbildung – was inzwischen die Ausnahme ist, im frühen Universum aber die Regel war. Ausgelöst wurden die Sterngeburten durch den nahen Vorbeiflug einer anderen Spiralgalaxie, M 81, vor ungefähr 200 bis 500 Millionen Jahren, die sich inzwischen rund 100 000 Lichtjahre entfernt hat.

Die Helligkeits- und Spektralmessungen der Röntgensatelliten lassen darauf schließen, dass M 82 zwei mittelgroße Schwarze Löcher beherbergt, die vielleicht 12 000 bis 43 000 beziehungsweise 200 bis 800 Sonnenmassen besitzen. Mit einem Abstand von einigen Hundert Lichtjahren vom Zentrum von M 82 sind sie zu weit entfernt, um in die gravitativen Fänge des supermassereichen Schwarzen Lochs (30 Millionen Sonnenmassen) dort geraten zu können. Der leichtere Kandidat, im jungen Sternhaufen MGG 11 gelegen, ist die stärkste Röntgenquelle in M 82 und variiert in der Helligkeit, was zu unregelmäßigen Fressattacken eines mittelgroßen Schwarzen Lochs passt.

Neben M 82 beherbergt auch die 15 Millionen Lichtjahre ferne Spiralgalaxie NGC 1313 im Sternbild Netz zwei ultraleuchtkräftige Röntgenquellen. Sie könnten ebenfalls kosmische Nachzügler sein, denn NGC 1313 wurde durch den Schwerkrafteinfluss von NGC 1309 in der Nachbarschaft durchgeschüttelt und deformiert. Solche Unruheherde sind häufig Auslöser neuer Sternbildungen – vielleicht mit den massereichen Nebenwirkungen, die Astronomen vorausgesagt haben.

Die Zwerge haben Es in sich

Auch in Zwerggalaxien scheinen mittelgroße Schwarze Löcher zu stecken. Durch ihr finsteres Herz wären diese kleinen Galaxien in einer weiteren Hinsicht Miniaturausgaben ihrer größeren Geschwister. Die großen Galaxien haben sich sehr wahrscheinlich durch die Verschmelzung und Einverleibung von Zwerggalaxien gebildet.

So deuten die Sternbewegungen in der aktivitätsreichen Elliptischen Zwerggalaxie POX 52, in 300 Millionen Lichtjahren Entfernung, auf ein rund 160 000 Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch hin. Das fanden Aaron Barth vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen heraus. Ähnlich massereich könnte das Pendant in der ebenfalls aktiven Zwerggalaxie NGC 4395 im Sternbild Jagdhunde sein, 14 Millionen Lichtjahre entfernt. Darauf deuten Röntgendaten hin. Weitere Kandidaten sind eine ULX-Quelle in der Zwerggalaxie UGC 4305 (Holmberg II) sowie ein aus Spektralmessungen des Hubble-Weltraumteleskops erschlossenes 70 000- Sonnenmassen-Ungetüm in einer aktiven Zwerggalaxie mit der wenig einprägsamen Bezeichnung SDSS J160531.84+174826.1.

Sternenfrass im Ofen

Die Schwarzen Mittelgewichte vertilgen mitunter ganze Sterne – wie ihre großen Brüder in den Galaxienzentren – und tauchen die Umgebung dabei in ein energiereiches Bad harter Strahlung. Erstmals haben dies vor wenigen Monaten Jimmy Irwin von der University of Alabama in Birmingham und seine Kollegen beobachtet. Mit dem Chandra-Satelliten und den beiden 6,5-Meter-Magellan-Teleskopen des Las Campanas Observatoriums in Chile nahmen sie einen Kugelsternhaufen der 65 Millionen Lichtjahre fernen Elliptischen Galaxie NGC 1399 im Sternbild Ofen ins Visier. Er enthält eine ULX-Quelle, hinter der sich wohl ein mittelgroßes Schwarzes Loch von etwa 1000 Sonnenmassen verbirgt.

Die Astronomen maßen dort die Emission von heißem Gas, das reich an Sauerstoff und Stickstoff ist, aber kaum Wasserstoff enthält – das häufigste Element im All. Dies deutet darauf hin, dass die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs einen Weißen Zwerg zerrissen haben. Solche kompakten Sternleichen – auch unsere Sonne wird einmal so enden – haben den größten Teil ihrer leichten Elemente bei der Kernfusion aufgebraucht beziehungsweise in ihrem Endstadium als Roter Riese ins All geblasen, sodass Kernverschmelzungsprodukte wie Sauerstoff und Stickstoff in den äußeren Schichten überwiegen. Irwin vermutet, dass ein solcher Sternrest, kaum größer als die Erde, dem Schwarzen Loch zu nahe kam und teilweise bereits von ihm verschluckt wurde. Wenn die Interpretation zutrifft, ist dies das erste Beispiel einer Sternvernichtung bei einem mittelschweren Schwarzen Loch.

REGENTEN DER KUGELSTERNHAUFEN

Anders als in NGC 1399 sind Kugelsternhaufen energetisch normalerweise sehr unauffällig. Mittelschwere Schwarze Löcher machen sich dort nicht als ULX bemerkbar, doch regiert ihr Gravitationseinfluss die Bahnen der Sterne. Einer der ersten Kandidaten für ein Schwarzes Mittelgewicht war der Kugelsternhaufen M 15 im Sternbild Pegasus, rund 32 000 Lichtjahre entfernt. Er befindet sich im galaktischen Halo und könnte, so ließen Messungen seiner Sternbewegungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop schließen, ein Schwarzes Loch von ungefähr 3400 Sonnenmassen beherbergen. Das ergab eine Studie von Astronomen um Karl Gebhardt von der University of Texas in Austin im Jahr 2005. Computersimulationen von Holger Baumgardt, Universität Bonn, und anderen zeigten dann aber, dass die Daten nicht gut zu den theoretischen Erwartungen passen und zudem auch anders erklärt werden können – durch einige Hundert Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher, die sich in den zentralen Bereichen von Kugelsternhaufen ansammeln. Besser steht es um den ebenfalls 2005 von Gebhardt und seinen Kollegen publizierten Kandidaten im Kugelsternhaufen G1. Er ist mit zehn Millionen Sonnenmassen einer der massereichsten Kugelsternhaufen und kreist im Halo um die Andromeda-Galaxie, 2,3 Millionen Lichtjahre entfernt. Der Tanz seiner zentralen Sterne lässt sich mit einem 18 000 Sonnenmassen mächtigen Schwarzen Loch erklären.

Riesige elliptische Galaxie

Einen weiteren Mittelgewichtskandidaten hat 2007 ein Team um Arunav Kundu von der Michigan State University mit den Röntgensatelliten XMM-Newton und Chandra in einem Kugelsternhaufen bei NGC 4472 entdeckt, einer riesigen Elliptischen Galaxie im Virgo-Haufen, 50 Millionen Lichtjahre entfernt. Die ULX-Quelle XMMU 122939.7+075333 variiert im Lauf einiger Stunden, was kaum anders als mit einem Schwarzen Loch erklärt werden kann. Vor ein paar Monaten haben Kundu und seine Kollegen ein weiteres mutmaßliches mittelschweres Schwarzes Loch in einem Kugelsternhaufen von NGC 4472 aufgespürt.

Andere Astronomen wurden in Kugelsternhaufen bei den Galaxien NGC 1399, NGC 3379 und ESO 243–49 fündig, und es gibt noch mehr Kandidaten. Die finsteren Mittelgewichte scheinen also in Kugelsternhaufen keine Seltenheit zu sein. „Und wenn sie massereich genug sind, werden sie durch den Schwerkrafteinfluss der Sterne auch nicht davongeschleudert”, sagt Kundu.

Finsterling im Galaktischen Zentrum?

Vielleicht gibt es sogar ein Schwarzes Mittelgewicht in unserer Milchstraße. 2004 hatten Brad Hansen von der University of California in Los Angeles und Milos Milosavljevic vom California Institute of Technology spekuliert, dass der Sternhaufen GCIRS 13E, der in etwa drei Lichtjahren Distanz das Galaktische Zentrum mit 280 Kilometern pro Sekunde umkreist, inmitten der sieben sichtbaren Sterne ein Schwarzes Loch von 1300 Sonnenmassen verbirgt. Das schlossen die Astronomen aus Infrarot-Messungen.

GCIRS 13E könnte der gleichermaßen kümmerliche wie gewichtige Rest eines großen Kugelsternhaufens sein, der binnen zehn Millionen Jahren aus einigen Dutzend Lichtjahren Entfernung in Richtung Milchstraßen-Mittelpunkt gewandert war und sich in der Gezeitenhölle dort aufgelöst hat, spekulierten die Forscher. Denn die sieben relativ kurzlebigen massereichen Sterne haben sich nicht so nah am Galaktischen Zentrum gebildet. Wenn sich das erhärten ließe, würde es die Hypothese bestätigen, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher nicht nur durch Gas- und Stern-Mahlzeiten fett wurden, sondern sich hin und wieder auch mittelgroße Schwarze Löcher einverleibten – eine besonders effektive Methode der Gewichtszunahme.

Allerdings haben Reinhard Genzel und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching argumentiert, dass das Schwarze Loch zehn Mal massereicher sein müsste, um sich im Orbit zu halten und nicht davongeschleudert zu werden. Auch passen die Bewegungen der zentrumsnahen Sterne schlecht zu der Interpretation von Hansen und Milosavljevic.

Bald wird man mehr wissen: Genauere Messungen der Bewegung des Sterns S2, der dem Galaktischen Zentrum besonders nahe kommt, werden die Anwesenheit eines mittelschweren Schwarzen Lochs selbst von nur 1000 Sonnenmassen schon in diesem Jahrzehnt nachweisen können, berechnete Genzels Kollege Stefan Gillessen in einer gerade veröffentlichten Arbeit. Wenn der Nachweis gelingt, dann gehört das Reich der Mitte nicht nur zur Vergangenheit unserer Heimatgalaxie – als Übergangsstadium zu ihrem heute rund vier Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Dann wäre ein Exemplar eines mittelgroßen Finsterling noch heute mitten unter uns. ■

von Rüdiger Vaas