Kleinstes stellares Schwarzes Loch entdeckt

Der Röntgendoppelstern XTE J1650-500 enthält mit 3,8 Sonnenmassen das bislang masseärmste, kosmische Schwarze Loch. Dies gaben Nikolai Shaposhnikov vom Goddard Space Flight Center der NASA und sein Kollege Lev Titarchuk auf der Tagung American Astronomical Society High-Energy Astrophysics Division Meeting am 31.03.08 in Los Angeles bekannt [1].

Zur Beobachtung und Methode
XTE J1650-500 wurde bereits 2001 mit dem NASA-Röntgenteleskop Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) im Sternbild Altar am Südhimmel entdeckt. Shaposhnikovd und Titarchuk konnten mit RXTE die heiße Materie beobachten, die in das Schwarze Loch hineinfällt. Sie sammelt sich aufgrund der Rotation in einer sich drehenden Materiescheibe, der Akkretionsscheibe, an. In dieser Scheibe können charakteristische Schwingungen auftreten, die die Fachwelt quasiperiodische Oszillationen (QPOs) nennt. Solche Schwingungen im Materiefluss übertragen sich in Helligkeitsvariationen der Röntgenstrahlung. Astronomen bestimmen daher aus dem "Röntgenflackern" die Eigenschaften der Akkretionsscheibe. Weil die QPOs auch mit der Lochmasse zusammenhängen, dienen derartige Beobachtungen auch zur Massenmessung der Löcher (natürlich verbunden mit einem gewissen Messfehler).
RXTE eignet sich bestens für Röntgenbeobachtungen, die eine hohe zeitliche Auflösung erfordern. Damit ist RXTE ideal für QPO-Untersuchungen.

Größe des Lochs
Die Größe eines Schwarzen Loches hängt mit seiner Masse und seiner Rotationseigenschaft (physikalisch: dem Drehimpuls) zusammen.
Unter der Annahme, dass das Loch nicht rotiere, können wir die Größe des Loches direkt aus der Masse folgern. Dieser Schwarzschildradius 2GM/c2 (G: Gravitationskonstante, M: Lochmasse, c: Vakuumlichtgeschwindigkeit) beträgt bei 3,8 Sonnenmassen gerade 11,2 Kilometer, d.h. das Loch durchmisst nur 22 Kilometer – nicht mehr als eine Großstadt.
Frühere Messungen an XTE J1650-500 legen allerdings nahe, dass das Loch auch rotiert [2]. Dann reduziert sich seine Größe bis maximal auf die Hälfte, so dass es durchaus plausibel ist anzunehmen, dass der Durchmesser des Loches nur gut 11 Kilometer beträgt.
Fast alle kosmischen Löcher rotieren sehr schnell. Der Ereignishorizont von rotierenden Löchern (Kerr-Löchern) ist grundsätzlich deutlich kleiner.

Welche Masse erlaubt die Sternentwicklung?
XTE J1650-500 unterbietet den bisherigen Lochwinzling GRO 1655-40 mit einem stellaren Loch von der 6,3fachen Masse der Sonne. Das Schwarze Loch ist ein so genanntes stellares Schwarzes Loch, d.h. das Loch ist aus einem massereichen Stern hervorgegangen (Gravitationskollaps). Stellare Löcher wiegen so viel wie drei bis hundert Sonnen.
Die spannende Frage für Astronomen ist, wie klein kosmische Schwarze Löcher überhaupt werden können. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt beliebig kleine und beliebig große Löcher. Da aber kosmische Löcher aus dem Kollaps von Sternen bestimmter Massen hervorgehen, muss es eine beobachtete Mindestmasse geben. Nun hängt es entscheidend davon ab, wie groß die kollabierende Masse ist. Ist sie groß genug, entsteht ein stellares Schwarzes Loch. Ist sie kleiner, entsteht ein Neutronenstern. Der Übergangsbereich vom Neutronenstern zum Schwarzen Loch liegt irgendwo zwischen 0,7 (Oppenheimer-Volkoff-Grenze) und 3,2 Sonnenmassen. Leider können die Astrophysiker das bisher nicht genauer auf der Grundlage ihrer Modelle sagen.
Deshalb sind Massenbestimmungen von Kandidaten für Schwarze Löcher (und für Neutronensterne natürlich auch) aus der Beobachtung so wichtig.

Beurteilung der Entdeckung
Es ist zu bedenken, dass die Entdeckung derzeit "nur" als Pressemeldung kursiert. Damit wir ihr Gewicht besser einschätzen können, empfiehlt es sich, nach einer wissenschaftlichen Publikation von Shaposhnikovd und Titarchuk in den nächsten Tagen Ausschau zu halten, die die Beobachtung untermauert (ich will u.a. Angaben zum Messfehler sehen!). Eine Recherche nach dem Paper unter arXiv.org ist also noch notwendig.

Geht's noch kleiner?
Sehr wahrscheinlich ja, was die kosmischen Löcher angeht – siehe Übergangsbereich Neutronenstern – Loch. Vielleicht geht es deutlich kleiner, falls die Physiker ein Mini-Loch mit der Masse von etwa tausend Protonen im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in Genf herstellen – siehe die aktuelle Diskussion bei KOSMOlogger Leonhard Burtscher über "Das Ende der Welt?".

Quellen:
[1] Pressemitteilung der NASA (2008)
[2] Pressemitteilung von Chandra (2003)

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Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Solche Berichte gefallen mir:

    Solche Berichte gefallen mir:
    Er sagt schön, welche Fragen es gibt, welche beantwortet und welche noch offen sind. Das ganze möglichst wertneutral und dennoch spannend. Da hilft ein Fachmann mit seinem umfangreichen Hintergrundwissen, eine aktuelle und akzentuierte Einzelfrage zu beantworten – genau das, was der Nichtfachmann für sich selbst nicht leisten kann. Das wichtigste dabei ist der Schreibstil: Klarer Gedankenduktus für eine festumrissene Zielgruppe (hier der astronomisch Interessierte und Vorgebildete), keine billigen Trivialitäten bei Nebensächlichkeiten, dafür auch keine nicht nachvollziehbaren Gedankensprünge beim Kern der Sache. Eine kritische Diskussion findet lediglich im Methodischen statt und fordert den Leser zu eigenem Urteil auf. Danke.

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