Die Milchstraße verbirgt Zehntausende von Schwarzen Löchern

Schwarze Löcher selbst sind nicht sichtbar, aber die Röntgen- und Funkemission der Materie neben ihnen kann uns eine Vorstellung von ihrem Standort und ihren physikalischen Eigenschaften geben.

Im Zentrum fast jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch, an dessen Ort die Materie Massen von Millionen oder sogar Milliarden von Sonnenenergie gesammelt hat. Um ihn herum sollten sich jedoch nicht nur viele sich schnell bewegende Sterne befinden, sondern auch Zehntausende kleinerer Schwarzer Löcher, die aus den Überresten massereicher Sterne gebildet wurden, die sich in der Nähe des galaktischen Zentrums befinden sollten. Als wir den Raum um Schütze A * beobachteten , unser Monster im Zentrum der Milchstraße mit einem Gewicht von vier Millionen Sonnenstrahlen, fanden wir Sterne, Staub, Gas, elektromagnetische Strahlung und alles, was erwartet wurde, mit einer Ausnahme: Keine Hinweise auf das Vorhandensein dieser kleineren Schwarzen Löcher. Es wurde erwartet, dass es in der Region mit einem Durchmesser von nur sechs Lichtjahren und einem Zentrum in Schütze A * mehr als zehntausend geben würde, aber sie wurden dort nicht gefunden. Das heißt, bis wir eine neue geniale Methode entwickelten, dank der wir allein im letzten Jahr ein Dutzend davon gefunden haben. Daraus folgt, dass diese schwarzen Löcher tatsächlich vorhanden sind, und jetzt haben wir eine Idee, wie wir sie finden können.


Zusammengesetztes Bild eines Schwarzen Lochs in der Mitte unserer Galaxie aus Röntgen- und Infrarotstrahlen: Schütze A *. Seine Masse beträgt vier Millionen Sonnenenergie und es ist von heißem Gas umgeben, das Röntgenstrahlen, Sterne und möglicherweise viele tausend kleinere Schwarze Löcher emittiert.

Der Raumbereich, der ein Schwarzes Loch in der Mitte unserer Galaxie umgibt, ist mit Material gefüllt, das nur außerhalb des sichtbaren Spektrums erfasst werden kann. Obwohl es dort zweifellos eine Vielzahl von sternenklaren Lichtquellen gibt, reicht der Staub, der die Ebene unserer Milchstraße füllt, völlig aus, um das gesamte Licht zu blockieren, das sonst 25.000 Lichtjahre vergangen wäre, um unsere Augen zu erreichen. Bei großen Wellenlängen im Infrarot- und Funkbereich gibt es jedoch Licht, das zu uns durchbrechen und das Vorhandensein von Sternen und Gas im Zentrum offenbaren kann, und Röntgenstrahlung bei kürzeren Wellenlängen kann uns eine große Menge an Informationen über die Energiequellen der Strahlung und die dort auftretenden Ereignisse liefern .


Das Bild des galaktischen Zentrums im Licht verschiedener Wellenlängen zeigt Sterne, Gas, Strahlung und Schwarze Löcher sowie andere Quellen. Aber das Licht, das von allen kommt, von Gammastrahlen über sichtbares Licht bis hin zu Radiowellen, kann nur sagen, dass wir unsere Instrumente in einer Entfernung von 25.000 oder mehr Lichtjahren fangen können.

Wenn wir den Raum um Schütze A * untersuchen, sehen wir eine große Anzahl von Sternen, die sich um das zentrale Schwarze Loch bewegen, sowie periodische Blitze, die während der Absorption verschiedener Materieklumpen durch das Schwarze Loch entstehen. Nach dem, was wir sehen, können wir uns vorstellen, wie diese Region des Weltraums aussieht: Sie ist voller Materie, die aktiv Sterne erzeugen kann, und reich an schweren Elementen. Das dort vorhandene Gas und der Staub schaffen eine ideale Umgebung für die aktive Bildung von Sternen, was, wie unsere besten Theorien sagen, genau das ist, was dort geschieht. Dort sollten sich viele Sterne mit unterschiedlichsten Massen bilden, aus denen eine relativ große Anzahl von Supernovae, Neutronensternen und Schwarzen Löchern gewonnen werden soll. Aus diesen Daten nehmen wir eine Einschätzung der Tatsache vor, dass im Radius von drei Lichtjahren von Schütze A * etwa 10.000 bis 20.000 Schwarze Löcher vorhanden sein sollten.


Eine ganze Menge von Sternen wurde neben einem supermassiven Schwarzen Loch im Kern der Milchstraße entdeckt. Zusätzlich zu diesen Sternen, Gas und Staub erwarten wir, dass es in dieser Region mindestens 10.000 Schwarze Löcher geben wird, die sich nur wenige Lichtjahre von Schütze A * entfernt befinden, aber bis jetzt war es ziemlich schwierig, sie zu entdecken.

Trotz der Vorhersage haben wir Probleme, diese Schwarzen Löcher zu beobachten. Und dafür gibt es einen überzeugenden Grund: Die meisten von ihnen sind schwer zu beobachten, weil sie keine Strahlung abgeben, die wir einfangen könnten. Um isolierte Schwarze Löcher zu erkennen, die die einzigen Sterne in unserem System waren, haben wir keine Arbeitsmethode. Um jedoch schwarze Löcher in binären Systemen zu sehen, in denen sich ein Schwarzes Loch und ein Stern umeinander bewegen, gibt es einen schwierigen Weg: Wir suchen nach hellen Röntgenblitzen, die von solchen Systemen emittiert werden. Laut dem Astrophysiker Chuck Haley :

Dies ist ein offensichtlicher Weg, um nach Schwarzen Löchern zu suchen. Das galaktische Zentrum ist jedoch so weit von der Erde entfernt, dass solche Blitze stark und hell genug sind, um sie nur einmal alle 100-1000 Jahre zu sehen.

Und da wir noch kein Glück hatten, brauchten wir eine andere Methode.


Ein Schwarzes Loch ist dafür bekannt, Materie zu absorbieren und hat einen Horizont von Ereignissen, denen nichts entkommen kann. Aber jenseits des Horizonts kann es Röntgenstrahlen aussenden. Es kann sowohl in Form großer Ausbrüche als auch in Form eines konstanten, relativ ruhigen Stroms auftreten, der durch das langsame Essen des BH-Nachbarn entsteht

In diesem Moment kam Haleys Team zur Rettung. Anstatt nach einem binären System mit einem Stern und einem Schwarzen Loch in einem aktiven Zustand zu suchen, der durch Fackeln gekennzeichnet ist, erkannten sie, dass man nach Spuren weniger energetischer Röntgenwellen suchen könnte, die während der Inaktivität dieser Systeme hätten existieren sollen. Hayley fährt fort:

Es wäre einfach, wenn binäre Systeme mit einem Schwarzen Loch ständig starke Blitze aussenden würden, wie es binäre Systeme mit einem Neutronenstern tun, aber das ist nicht so, also mussten wir einen anderen Weg erfinden, um sie zu finden. Wenn sich ein Schwarzes Loch einem kleinen Massenstern nähert, sendet diese Partnerschaft Röntgenblitze aus, die schwächer sind, aber konstant sind und erkannt werden können.

Es würde viel Zeit in Anspruch nehmen, solche Effekte im galaktischen Zentrum im Röntgenbereich zu verfolgen, und ohne ein klar festgelegtes Ziel würde ein solches Projekt nicht genehmigt. Aber das Haley-Team hatte einen Trumpf: Solche Daten existierten dank des Chandra-Röntgenobservatoriums .


Das supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie hat extrem helle Blitze gesehen, aber keiner von ihnen war so hell oder lang wie der XJ1500 + 0134. Dank dieser Art von Ereignissen sammelte Chandra eine riesige Datenmenge für 19 Jahre Beobachtungen des galaktischen Zentrums.

Chandra beobachtete das galaktische Zentrum fast 19 Jahre lang regelmäßig. Nachdem das Team den gesamten Satz der Archivdaten untersucht hatte, konnte es eine erstaunliche Sache entdecken: Röntgenzeichen der Anwesenheit von zwölf unabhängigen, inaktiven, leisen Binärsystemen aus einem Schwarzen Loch und einem Stern. Angesichts der Tatsache, dass wir in der Milchstraße bisher nur 60 Schwarze Löcher entdeckt haben, ist dies eine ernsthafte Zunahme ihrer Anzahl - aber nicht nur. Alle diese 12 BH / Stern-Systeme befinden sich innerhalb von drei Lichtjahren nach Schütze A *, und ihre Existenz ermöglicht es uns, etwas Interessanteres zu tun: die Gesamtzahl der in dieser Region vorhandenen Schwarzen Löcher abzuschätzen. Basierend auf den gesammelten Daten sollte es ungefähr 300-500 Systeme geben, die aus einem Schwarzen Loch und einem Stern bestehen, und ungefähr 10.000 isolierte Schwarze Löcher.


In den Zentren der Galaxien gibt es Sterne, Gas, Staub und (wie wir jetzt wissen) Schwarze Löcher, die sich drehen und mit dem zentralen supermassiven Objekt der Galaxie interagieren.

Dies ist eine erstaunliche Entdeckung, die nur im Rahmen unserer Milchstraße möglich war. Wenn wir die Existenz von ungefähr 10.000 Schwarzen Löchern in der Nähe unseres supermassiven Schwarzen Lochs kennen, können wir bewerten, was im Zentrum jeder Galaxie mit einem supermassiven Schwarzen Loch passiert: Tausende und Abertausende gewöhnlicher Schwarzer Löcher, die sich um dieses Loch bewegen. In den 2030er Jahren wird die Europäische Weltraumorganisation die Enhanced Space Antenna nach dem Prinzip eines Laserinterferometers (eLISA, ehemals LISA), eines Weltraumdetektors für Gravitationswellen mit sehr langen Schultern, auf den Markt bringen. Im Gegensatz zu Systemen mit eng beieinander liegenden Körpern kleiner Masse und einer kleinen Umlaufzeit, für die LIGO empfindlich ist, kann eLISA erstmals Schwarze Löcher mit einer langen Umlaufzeit erkennen, die lange Spiralen bilden und mit supermassiven Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien verschmelzen.


In den letzten zwei Jahren wurden Gravitationswellen aus dem Zusammenfluss von Neutronensternen und Schwarzen Löchern auf der Erde entdeckt. Durch die Schaffung eines Gravitationsobservatoriums im Weltraum können wir die Empfindlichkeit auf ein Niveau erhöhen, das Fusionen mit supermassiven Schwarzen Löchern vorhersagen kann.

Dies ist eine äußerst wichtige Studie, da sie uns den ersten wirklichen Beweis dafür liefert, wonach eLISA suchen wird, was uns weiter motiviert, nach Ereignissen zu suchen, die, wie wir bereits wissen, existieren könnten. Im Gegensatz zu LIGO-Schwarzen Löchern werden wir während dieser Annäherungsprozesse Wochen, Monate oder sogar Jahre Handicap haben, wodurch wir klar wissen können, wann und zu welchem ​​Zeitpunkt es notwendig sein wird, die Fusion zu sehen. Dies ist die erste Bestätigung der Theorie der Existenz von Zehntausenden von Schwarzen Löchern um supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien und ermöglicht es uns, besser vorherzusagen, wie viele verwandte Ereignisse Gravitationswellen verursachen, die wir registrieren können.

Alle Informationen, die wir dazu benötigen, befinden sich in den Zentren der Galaxien, einschließlich unserer. Zum ersten Mal können wir sicher sein, dass Schwarze Löcher keine kosmischen Raritäten sind, sondern in großer Zahl in jeder Galaxie im gesamten Universum existieren.