Schwarze Löcher sind schwarz. Aber dann auch wieder nicht. Das schwarze Loch selbst ist natürlich unsichtbar, ansonsten wäre es ja auch kein schwarzes Loch. Es krümmt den Raum so stark um sich selbst, das weder Licht noch sonst irgendwas aus seiner Nähe entkommen kann. Aber wenn das schwarze Loch nicht völlig alleine im Weltraum rumsitzt, sondern ausreichend Materie ausreichend nahe ist, dann kann seine Umgebung enorm hell werden. Das Material, dass dem Loch zu nahe kommt, wird durch die Anziehungskraft beschleunigt und bildet eine Scheibe. In dieser sogenannten Akkretionsscheibe wirbelt das ganze Zeug um das Loch herum, bevor es irgendwann hinein fällt. Durch die schnelle Bewegung und die Interaktion mit dem Magnetfeld, das in der Umgebung des schwarzen Lochs meistens existiert, heizt es sich auf und beginnt hell zu leuchten. Und genau darum können wir schwarze Löcher – bzw. ihre Umgebung – auch sehen. Sie gehören sogar zu den hellsten Objekten im Universum: Sogenannte Quasare (siehe dazu auch hier) sind supermassereiche schwarze Löcher mit der millionfachen Masse der Sonne die sich in den Zentren von Galaxien befinden. Sind die Galaxien noch jung, gibt es dort noch jede Menge Material für die Löcher zum Fressen und darum kann man Quasare auch noch in enorm großen Entfernungen beobachten. Sie sind eine wichtige Informationsquelle über die Vorgänge im frühen Universum und über die Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

51 solcher Quasare haben nun Wissenschaftler mit Hilfe des Chandra-Röntgenweltraumteleskops untersucht (“X-ray Insights into the Nature of PHL 1811 Analogs and Weak Emission-Line Quasars: Unification with a Geometrically Thick Accretion Disk?”) und dabei ein seltsames Verhalten festgestellt. Die beobachteten Quasare waren alle viel dunkler, als erwartet. Das von ihnen ausgehende Ultraviolettlicht war deutlich schwächer als man es erwarten würde. Und bei 65 Prozent der Objekte war auch die Röntgenstrahlung im Durchschnitt 40 Mal geringer als bei typischen Quasaren dieser Größenordnung.

Bild: NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.

Quasare im Röntgenlicht (Bild: NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.)

Bin Luo von der Pennsylvania State University und seine Kollegen haben nun probiert herauszufinden, warum diese Gruppe von schwarzen Löchern dunkler ist, als erwartet. Sie haben die Beobachtungen mit Computersimulationen abgeglichen und sind zu einem interessanten Ergebnis gekommen: Die schwarzen Löcher fressen zu viel!

Im Computer hat man simuliert, was passiert, wenn Material auf ein schwarzes Loch fällt. Bis zu einer gewissen Menge ergibt sich genau das Bild, das man bisher schon kannte: Es bildet sich eine um das Loch herum wirbelnde Scheibe. Wenn aber extrem viel Material auf das Loch fällt, dann bläht sich die Scheibe zu einem dicken Ring auf, der das Loch umgibt. Und dieser Ring blockiert einen Teil der Strahlung, die man normalerweise sehen würde.

Die Beobachtungen mit Chandra bestätigen dieses Bild. Bis jetzt hatte man noch zu wenig solcher schwach leuchtenden Quasare beobachtet aber mit den neuen Daten wurde die Sache klarer. Man konnte durchaus Röntgenstrahlung messen, aber die Menge hing vom Blickwinkel ab. Je nachdem wie man auf den Ring blickt, kommt die Strahlung durch oder wird blockiert. Die Röntgenstrahlung kann so auch schlechter die äußeren Gasschichten erreichen, die sie normalerweise zum Leuchten im UV-Licht anregt.

Eine innere “Barriere” aus Material ganz in der Nähe des schwarzen Lochs blockiert also einen Teil der Strahlung, so dass die weiter außen liegenden Bereiche nicht mehr so hell leuchten.

Das dieses Verhalten schwarzer Löcher existiert, hatte man vorher schon vermutet. Quasare gehören einerseits zu den besonders großen supermassereichen schwarzen Löchern und wir können sie noch in sehr großen Entfernungen sehen. “Große Entfernung” heißt aber in der Astronomie immer auch “weit in der Vergangenheit”. Die Quasare stammen also aus einer Zeit, in der das Universum noch viel jünger war. Und eine der großen offenen Fragen in diesem Gebiet lautet: Wie konnten die Quasare in der kurzen Zeit ihrer Existenz so enorm massereich werden? Offensichtlich musste es Phasen geben, in denen sie überdurchschnittlich schnell und viel Material eingesammelt haben und diese Phasen müssen in ihrer Jugend stattfinden. Je weiter entfernt, d.h. desto jünger so ein Quasar ist, desto wahrscheinlicher sollte es also auch sein, dass man ihn einer gefrässigen und daher auch dunkleren Phase erwischt.

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Kommentare (20)

  1. #1 vroomfondel
    5. Mai 2015

    Ist so ein Torus nicht geradezu ein Massebegrenzer fuer die Menge an Material, die in das SL fallen kann? Das Gas befindet sich ja hoechstwahrscheinlich im thermodynamischen Gleichgewicht, will sagen, es faellt gerademal soviel Material in das SL, dass durch die Strahlung die Temperatur/Dichte und damit die Entfernung, in der der Torus kreist, gehalten wird?

  2. #2 Alderamin
    5. Mai 2015

    @vroomfondel

    Das Gas befindet sich ja hoechstwahrscheinlich im thermodynamischen Gleichgewicht, will sagen, es faellt gerademal soviel Material in das SL, dass durch die Strahlung die Temperatur/Dichte und damit die Entfernung, in der der Torus kreist, gehalten wird?

    Nicht notwendigerweise: http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/black-hole-ate-too-much/

    Das Eddington-Limit wäre der Gleichgewichtsfall, bei mehr Einfall sollte die zunehmende Strahlung den Einfall begrenzen. Offenbar handelt es sich hier um einen ähnlichen Fall wie im S&T-Artikel, nur sieht man das hier beschriebene System von der Kante, wo die Strahlung deutlich abgeschwächt erscheint und man daher auf die im Paper erwähnten niedrigen Eddington-Ratios beobachtet [tatsächliche Helligkeit/Eddington-Limit-Helligkeit], die “highly uncertain and perhaps systematically in error” seien, weswegen gefolgert wird: “We consider it
    plausible that our PHL 1811 analogs and WLQs are accreting
    at high or even super-Eddington rates.”

    Im S&T-Artikel steht unten zum Mechanismus:

    Soria says that it should be possible for a black hole to go three to four times above its Eddington rate for up to 100,000 years if a huge amount of dense, opaque gas is dumped onto the black hole from a massive companion star. Normally, the photons produced inside the infalling, hot gas build up so much radiation that the pressure can shut off the infall. But if the gas is very dense and opaque to radiation, the photons’ escape is delayed — sometimes they don’t even have time to emerge before the gas surrounding them crosses the event horizon (with them still inside). In this case, the photons can’t “do their duty of pushing gas away,” he says.

    Krass.

  3. #3 Kalli
    5. Mai 2015

    Verständnisfrage: was bedeutet das schwarze große Dreieck unterhalb. ich bin immer noch der Meinung, das schwarze Loch ist kein Loch, sondern eine Kugel und muß um den Rotationsgürtel herum symmetrisch sein Wheeler hat zwar seinerzeit den Begriff erfunden, und dieser beschreibt ja anschaulich, aber verleitet vielleicht zum …..

  4. #4 Florian Freistetter
    5. Mai 2015

    @Kalli: Das Bild ist nicht echt, sondern nur eine künstlerische Darstellung. In der ist der Torus um das Loch anscheinend ein wenig angeschnitten gezeichnet, um besser zu zeigen, was da vor sich geht. Und das Dreieck ist wohl der “Schatten”, der in Blickrichtung durch die Absorption der Strahlung durch den Torus erzeugt wird.

  5. #5 Kalli
    5. Mai 2015

    ok, danke

  6. #6 DasKleineTeilchen
    5. Mai 2015

    *räusper*

    welchen durchmesser mag wohl das gesamte system haben? also torus-aussenkante? mir schwirrt ein dunkler donut-ultra-“stern” im kopp, der bis zur neptunbahn reicht. so in etwa?

  7. #7 Artur57
    6. Mai 2015

    Die Verdickung der Akkretionsscheibe zum Zentrum hin wäre dann ja erklärlich: Das Schwarze Loch zieht das Material an, es wird aber durch den Strahlungsdruck abgebremst. Da gibt es einen Stau, der die Scheibe dicker macht. Das sind ja ganze Sternensysteme, die sich dabei so nahe kommen, dass sie sich gegenseitig aus der Bahn werfen. Endzustand sind wohl diese elliptischen Galaxien mit einem superschweren Schwarzen Loch in der Mitte, umkreist von Körpern auf chaotischen Bahnen.

    Aber warum frisst das Schwarze Loch eigentlich, warum bleiben die Keplerbahnen der Satelliten nicht stabil? Dazu sagt dieser sehr interessante Spektrum-Artikel etwas:

    http://tinyurl.com/qz82a77

    Es gibt also im Abstand von 1,5 Schwarzschildradius einen Orbit, auf dem das Licht exakt um das Zentrum umläuft. Die Fliehkraft eines Körpers auf dieser Bahn ist unabhängig von seiner Geschwindigkeit immer gleich null, er stürzt also unweigerlich in das Schwarze Loch. Natürlich beginnt dieser Effekt schon weiter außen. Grund für das Fressen wäre demnach eine Dezimierung der Fliehkraft durch die Raumkrümmung. Das Fressen wäre demnach selbstverstärkend, je mehr das Schwarze Loch frisst, um so mehr wächst dieser Radius und um so mehr werden die Keplerbahnen gestört. Ich weiß nicht, ob man von daher die Tatsache, dass “unser” schwarzes Loch in der Milchstraße derzeit an Appetitlosigkeit leidet, als schlechte Nachricht sehen soll.

  8. #8 Jörg
    6. Mai 2015

    Warum bildet sich eigentlich eine Akkretionsscheibe und keine Akkretionskugel? Hängt das mit der Eigenrotation des Lochs zusammen? Und wie kann ein Punkt unendlicher Raumzeitkrümmung um eine Achse rotieren?

  9. #9 Alderamin
    6. Mai 2015

    @DasKleineTeilchen

    Schau Dir Fig. 8 auf Seite 17 im Paper an. Der Torus liegt zwischen 5 und 60 Schwarzschildradien, die Scheibe geht weit über 500 Schwarzschildradien.

    In diesem Paper wird der Quasar PHL 1811 auf eine Masse von 1,8E+8 Sonnenmassen geschätzt, damit ergäbe sich ein Schwarzschildradius von 3,553 AU (sagt Wolfram-Alpha).

    Demnach läge der Torus zwischen 17,5 und 210 AU. Neptun umkreist die Sonne in ca. 30 AU, Voyager 1 krebst gerade bei 130 AU herum. Das Schwarze Loch ist schon ein Brocken. Insbesondere gemessen an einem stellaren Black Hole mit 2,5 Sonnenmassen, da beträgt der Schwarzschild-Radius knappe 7,5 km.

  10. #10 Alderamin
    6. Mai 2015

    @Artur57

    Ich weiß nicht, ob man von daher die Tatsache, dass “unser” schwarzes Loch in der Milchstraße derzeit an Appetitlosigkeit leidet, als schlechte Nachricht sehen soll.

    Schwarze Löcher sind keine Staubsauger.

    @Jörg

    Warum bildet sich eigentlich eine Akkretionsscheibe und keine Akkretionskugel?

    Alle Orbits um eine kugelsymmetrische Masse müssen das Zentrum der Masse in einem Brennpunkt der Bahnellipse haben. Eine kugelförmige Verteilung der Masse um das schwarze Loch würde also zu zahlreichen Überschneidungen der Bahnen führen. Hätte man es mit punktförmigen Massen in diesem Halo zu tun, wie bei Sternen in einem Kugelsternhaufen oder einer elliptischen Galaxie, wären Zusammenstöße selten und die Objekte könnten ihre Bahnen so beibehalten. In einer Gaswolke jedoch ist die Kollisionswahrscheinlichkeit sehr groß, und Teilchen, die miteinander zusammenstoßen, würden Energie verlieren und ihre Bewegungsrichtung ändern. Auf diese Weise nehmen sie automatisch die Konfiguration mit den wenigsten Kollisionen ein, und das ist eine Scheibe mit kreisförmigen Bahnen. Das hat nichts mit der Eigenrotation des Schwarzen Lochs zu tun und passiert ähnlich bei der Entstehung von Planetensystemen – deshalb kreisen alle Planeten im Sonnensystem in der gleichen Ebene.

    Und wie kann ein Punkt unendlicher Raumzeitkrümmung um eine Achse rotieren?

    Was innerhalb des Schwarzschildradius passiert (und darunter könnte sich durchaus eine Ringsingularität verbergen), hat ohnehin keine Auswirkungen auf den Raum außerhalb, die Grenze der Interaktion ist der Ereignishorizont, und der ist kugelförmig. Außerdem zieht er die Raumzeit mit (Lense-Thirring-Effekt; ein bisschen tut das auch die rotierende Erde, das wurde gemessen). Deswegen kann ein Schwarzes Loch einen Drehimpuls haben (und tut es im allgemeinen auch, die Dinger rotieren typischerweise mit hohen Prozentsätzen der Lichtgeschwindigkeit).

  11. #11 Jörg
    6. Mai 2015

    Danke Florian, immer wieder gewinnbringend hier!

  12. #12 Artur57
    6. Mai 2015

    “Schwarze Löcher sind keine Staubsauger”

    Hm. Dieser Effekt der wegfallenden Fliehkraft wurde ja nicht berücksichtigt. Dann können wir nicht erklären, warum das Schwarze Loch fast seine ganz Galaxis frisst. Es gilt laut ART:

    “Die Bahn des Lichtstrahls und die Bahn der kräftefreien Körpers sind identisch.”

    Kräftefrei heißt in diesem Zusammenhang, frei von Trägheitskräften. Die Schwerkraft wirkt natürlich weiterhin.

    Richtigerweise hast Du die Rotation des Lochs erwähnt, wobei man relativistische Geschwindigkeiten auf der Oberfläche erwarten darf. Was dann mit einem entsprechenden Massenzuwachs verbunden wäre, der die Galaxis nochmals stärker anzieht.

    Beides Effekte, die wir in unserem Sonnensystem nicht beobachten, weshalb die Planetenbahnen auch über Jahrmilliarden gleich bleiben. Da ist schon ein Unterschied.

  13. #13 Florian Freistetter
    6. Mai 2015

    @Artur57: Mir fehlt langsam ein wenig die Motivation, dich immer wieder aufs gleiche hinzuweisen: Wenn die die Wissenschaft mit deinen eigenen Theorien revolutionieren willst, solltest du dir zuerst WIRKLICH, WIRKLICH sicher sein, den Status Quo vollumfänglichen erfasst und verstanden zu haben (und dein Wissen darüber aus der Fachliteratur bezogen haben und nicht aus populärwissenschaftlichen Darstellungen). Dann würdest du auch nicht mehr so was unsinniges schreiben wie “warum das schwarze Loch fast seine ganze Galaxis frisst” sein unerklärbar, sondern wüsstest, dass das nicht stattfindet und auch daher keiner Erklärung bedarf.

  14. #14 Higgs-Teilchen
    Im Standardmodell oben rechts
    7. Mai 2015

    @Florian

    Zu welchem Zeitpunkt haben sich denn Quasare gebildet?

    Lg H.

  15. #15 Florian Freistetter
    7. Mai 2015

    @Higgs-Teilchen: Das weiß man noch nicht wirklich genau. Früh auf jeden Fall…

  16. #16 Artur57
    8. Mai 2015

    Tja, es gilt ja wohl zu erklären, warum ein Schwarzes Loch frisst und die Sonne nicht. Ich habe eine sehr elegante Theorie vorgestellt, die keineswegs “poulärwissenschaftlich” ist, sondern an einer renommierten Universität entwickelt wurde. Und? Ich werde beschimpft.

    Tja, das muss ich mir ja wohl nicht geben. Wenn hier keine Lösungen gefragt sind und der selbstgewählte Obskurantismus vorgezogen wird, dann ist das nichts für mich.

    Tschüß !!!

  17. #17 Florian Freistetter
    8. Mai 2015

    @Artur57: “Tja, es gilt ja wohl zu erklären, warum ein Schwarzes Loch frisst und die Sonne nicht.”

    Die Sonne “frisst” genau so Material. Jede Menge Kometen, die ihr zu nahe kommen fallen zB auf sie. Und schwarze Löcher “fressen” auch nicht aus irgendwelchen mystischen Gründen, sondern auch nur dann, wenn – wie bei der Sonne – Material ihnen nahe genug kommt.

    “Und? Ich werde beschimpft.”

    Niemand “beschimpft” dich. Ich weise dich nur immer wieder darauf hin, dass es absolut nichts bringt, wenn du hier eine “Theorie” nach der anderen aufstellst um Phänomene zu “erklären”, die keiner Erklärung bedürfen. Sondern die dir nur deswegen erklärungsbedürftig erscheinen, weil dir ausreichend Ahnung von den Grundlagen fehlt. Wie man ja gerade wieder mal bei der Sache mit den schwarzen Löchern und der Sonne gesehen hat.

  18. #18 Higgs-Teilchen
    Im Standardmodell oben rechts
    8. Mai 2015

    @Florian

    Können Sterne eigentlich auch einebAkkretionsscheibe haben?

  19. #19 Higgs-Teilchen
    Im Standardmodell oben rechts
    8. Mai 2015

    @Florian

    Hmm, vielleicht sollte ich mir mal angewöhnen, erst auf wiki anzusehen, bevor ich eine Frage stelle… 🙂

    http://de.m.wikipedia.org/wiki/Akkretionsscheibe

    Also während und kurz nach ihrer Entstehung sowie in Doppelsternsystemen.

  20. #20 Alderamin
    8. Mai 2015

    @Artur57

    Tja, es gilt ja wohl zu erklären, warum ein Schwarzes Loch frisst und die Sonne nicht.

    Die meisten Schwarzen Löcher fressen auch nichts, wir hatten ja neulich geschätzt, dass das nächste irgendwo innerhalb von 100 Lichtjahren herumkrebsen müsste, aber das nächste bekannte ist erst bei 1600 Lichtjahren zu finden, weil es frisst und damit über eine Akkretionsscheibe Strahlung aussendet. In diesem Radius erwarten wir mindestens 16^3 = 4096 Schwarze Löcher, zu sehen ist aber nur eines, weil es einen engen Nachbarstern hat, von dem Materie zu ihm herüber fließt. Das gibt es bei normalen Doppelsternen auch. Z.B. bei Weißen Zwergen, die Materie von einem Begleitstern absaugen, die regelmäßig als Nova zündet oder schließlich als Supernova Typ I den Weißen Zwerg zerstört. Ganz einfachen Massentransfer zwischen gewöhnlichen Fixsternen gibt es auch, wenn sie sich eng umkreisen und etwa der eine zum Roten Riesen wächst.

    Wichtig ist, die Materie kann nur auf den Nachbarstern oder das Schwarze Loch fallen, wenn sie ihre Bahnenergie als Strahlung loswerden kann, und das passiert nur in einer Akkretionsscheibe, wo die Materie durch Kompression zu einem ionisierten Gas wird, das Reibungsverluste und solche durch Magnetfelder hat (die zu den sogenannten Jets führen). Materieteilchen, die in genügendem Abstand vom Schwarzen Loch kreisen, bewegen sich hingegen auf ganz normalen Keplerbahnen, die sind sicher vor dem Schwarzen Loch, es ist für sie einfach eine Punktmasse – und kugelförmige Massen wie Sterne wirken ebenfalls wie Punktmassen. Aus einem Abstand größer als der Radius eines Sterns wirkt seine Schwerkraft genau so wie die eines Schwarzen Lochs der gleichen Masse. Nur innerhalb eines Sterns nimmt die Schwerkraft zum Zentrum hin wieder aber, während ein Schwarzes Loch mit ein paar Kilometern viel kleiner ist als ein Millionen Kilometer durchmessender Hauptreihenstern der gleichen Masse, und da nimmt die Schwerkraft bis zum Ereignishorizont fast unermesslich weiter zu, was dort zu diesen elementaren Kräften in einer Akkretionsscheibe führt. Aber auch junge Sterne haben solche Scheiben und auch Jets (T-Tauri-Phase), die fressen noch einfallendes Gas während ihrer Entstehung. Schwarze Löcher sind wegen ihrer hohen Schwerkraft nur extremer, und es gibt sie zum Teil mit sehr viel mehr Masse als selbst die größten Fixsterne.