Wie klein kann ein Schwarzes Loch werden? Zu dieser spannenden Frage liegen nun neue astronomische Beobachtungen vor. Wir reden hier nicht von den Schwarzen Mini-Löchern am CERN, die möglicherweise reine Fantasie sind, sondern von kosmischen Schwarzen Löchern, die Massen vergleichbar mit der Sonnenmasse haben.  

“Igor”, der Doppelstern

Das Objekt hört auf den kaum flüssig auszusprechenden Namen IGR J17091-3624. Machen wir uns das Leben leichter und nennen ihn “Igor” – Ähnlichkeiten zu lebenden oder toten Personen wären natürlich rein zufällig. Igor ist ein kompaktes Doppelsternsystem im Sternbild Skorpion, in dem sich zwei “Sterne” eng umkreisen. “Igor” ist sogar als Röntgendoppelstern beobachtbar.

[Skizze eine Röntgendoppelsterns mit Schwarzem Loch; Bild. A. Müller]

Das eine Objekt ist ein Stern und das andere ein Kandidat für ein stellares Schwarzes Loch. “Igor” ist ungefähr 65.000 Lichtjahre (20 kpc) von uns entfernt, also fast dreimal weiter weg, als das Zentrum der Milchstraße. Bei der genauen Entfernung herrscht allerdings noch eine große Unsicherheit. Vom Stern strömt Plasma hinüber auf das kompakte Schwarze Loch. Das geschieht in Form einer Gasscheibe, die sich um das Loch ausbildet, weil die Sternmaterie ja seine Rotation mitbringt.  

Aktuelle Röntgenbeobachtungen

Unser eigener Körper ist ein Wärmestrahler. Bei einer Oberflächentemperatur von ungefähr 30 Grad gibt unsere Haut Wärmestrahlung vor allem im Bereich der Infrarotstrahlung ab, also bei etwas größeren Wellenlängen als rotes Licht. “Igor” kann darüber nur müde lächeln. Denn in seinem Todesstrudel um das Schwarze Loch wird es so heiß wie im Zentrum unserer Sonne, ca. 10 Mio. Grad (1 keV). Die hier abgegebene Wärmestrahlung landet daher im hochenergetischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums bei der Röntgenstrahlung! Die astronomisch beobachtete Röntgenquelle ist also letztlich die heiße Gasscheibe um das Schwarze Loch. Die Scheibe beobachteten nun Astronomen mit dem im Weltraum befindlichen Röntgenteleskop Rossi X-ray Timing Explorer, kurz RXTE. Etwa ein halbes Jahr lang hatten sie gemessen, wie die Röntgenhelligkeit mit der Zeit variiert. Die so gewonnene Lichtkurve zeigte wiederkehrende Strukturen. Astronomen nennen sie quasiperiodische Oszillationen (QPOs) und im Fall von IGR J17091-3624 zeigen sie typische Frequenzen zwischen 10 Millihertz und 10 Hertz.  

Was steckt dahinter?

“Igors” Lichtkurven zeigen auffällige Ähnlichkeiten zu einem anderen Doppelstern, nämlich GRS 1915+105. Dieser ist ein guter Kandidat für ein stellares Schwarzes Loch mit ca. 14 Sonnenmassen. Bislang waren dessen charakteristische Variation der Röntgenhelligkeit ein prominenter Einzelfall. Die Physik in GRS 1915+105 wird zurzeit so interpretiert, dass das Loch über die Scheibe mit Material angefüttert und ein Teil dieses Materials wieder als Materiestrahl, sog. Jets, herausgeschossen wird. Mit der Menge an einfallender Materie pro Zeit, der sog. Akkretionsrate, steigt aber auch die Leuchtkraft an. Dies wiederum mindert wegen dem zunehmenden Strahlungsdruck den Einfall der Materie und stoppt den Abschuss des Jets. GRS 1915+105 pendelt daher periodisch zwischen hoher und niedriger Röntgenhelligkeit bzw. hoher und geringer Akkretionsrate bzw. auftretenden und ausbleibenden Jet. Die QPOs in der Lichtkurve wiederum hängen nach gängiger Interpretation mit Instabilitäten in der rotierenden Gasscheibe zusammen. So interpretieren die Astronomen auch die Beobachtungen bei “Igor”.  

Wie klein ist das Loch?

Nimmt man an, dass “Igors” Schwarzes Loch am höchsten Limit Materie verschluckt – eine Grenze, die man Eddington-Rate nennt – so folgt eine Lochmasse von nur etwa drei Sonnenmassen – vorausgesetzt das Objekt ist nicht weiter entfernt als ca. 55.000 Lichtjahre (17 kpc).  Drei Sonnenmassen – das ist verdammt wenig. Diese Angabe kann man sofort in eine Größe umrechnen, wenn wir annehmen, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt, das nicht rotiert. Dessen Radius, also die Größe des Ereignishorizonts, der sog. Schwarzschildradius, beträgt bei drei Sonnenmassen genau neun Kilometer. “Igors” Schwarzes Loch ist nicht viel größer als eine Großstadt, aber so schwer wie drei Sonnen.  

Das ungelöste Problem mit der Mindestmasse

Nach Einstein können Schwarze Löcher eigentlich beliebige Massen haben – nach unten und nach oben unbegrenzt. Weil es aber bestimmte Mechanismen für die Entstehung und für das Wachstum kosmischer Schwarzer Löcher gibt, so muss es auch plausible Massen für Schwarze Löcher geben. Wenn die Löcher aus Sternen entstehen, so wird die unter Massengrenze im Bereich von Sternmassen liegen. Wenn sie dann Materie aufsammeln und dazu nur soviel Zeit haben, wie das Alter des Universums, können sie nicht schwerer sein, als einige zehn Milliarden Sonnenmassen – wie man nachrechnen kann.
In der theoretischen Astrophysik ist es gerade ein großes Problem, dass man nicht genau weiß, wie viel Masse die schwersten Neutronensterne bzw. wie viel Masse die leichtesten, stellaren Schwarzen Löcher haben. Beide gehen ja aus dem Kollaps massereicher Sterne hervor, ein Ereignis, das von einer heftigen Sternexplosion (Supernova Typ II, Hypernova) begleitet wird.

[Gravitationskollaps eines Stern und Endobjekte in Abhängigkeit von kollabierender Masse; Bild: A. Müller]

Es wäre also wunderbar, wenn man seitens Beobachtung hier eine klare Trennlinie ziehen könnte, um etwas über die Physik kompakter Sterne und deren Inneres zu lernen. Das macht “Igor” so interessant!  

Wirklich ein Schwarzes Loch?

Es kann nicht ganz ausgeschlossen werden, dass das kompakte Etwas in “Igor” anstelle eines Schwarzen Lochs eine andere “Sternleiche” ist, nämlich ein Neutronenstern, der hier sein Unwesen treibt. Aber diverse Beobachtungen, vor allem die Kombination aus Radio- und Röntgenbeobachtungen, sprechen für ein Schwarzes Loch.  

Wie geht’s weiter?

Die weiteren Untersuchungen zielen darauf ab, “Igors” Entfernung sehr genau zu bestimmen, um die Lochmasse genauer festnageln zu können.  Die Astronomen hoffen aus dem Vergleich der beiden Himmelsquellen, IGR J17091-3624 = “Igor” und GRS 1915+105, mehr über die Physik der Röntgendoppelsterne und die Mindestmasse Schwarzer Löcher zu lernen. Stay tuned.  

Quellen:

• Original-Publikation von Altamirano et al. 2011  
• Pressemeldung auf astronews.com