Wie die Tatsache, dass Schwarze Löcher umgebende Materie sehr effizient anziehen, zu einigen der spektakulärsten Leuchtphänomene im gesamten Kosmos führt

Ein Artikel von Andreas Müller

Gravitation führt zu einer universellen Anziehungskraft zwischen allen Massen. Eine mögliche Folge davon ist die Akkretion, der Oberbegriff der Astrophysiker für Prozesse, bei denen ein massereiches zentrales Objekt Materie aus seiner direkten Nachbarschaft aufnimmt („akkretiert“). Akkretion bewirkt, dass das zentrale Objekt massiver wird und somit immer besser Materie aufnimmt. Als ersten Schritt zum Verständnis der Akkretion ist es nützlich, eine allgemeinere Frage zu betrachten: Was sind die möglichen Ergebnisse, wenn Materie auf ein zentrales Objekt fällt?

Fallende Materie

Wenn das zentrale Objekt ein fester Körper ist, kann Materie direkt auf diesen Körper fallen und plötzlich zum Stillstand kommen. Dies wäre ein Beispiel für eine „mechanische Barriere“ – die Oberfläche des zentralen Objekts verhindert, dass Materie weiter fällt, so wie die feste Oberfläche der Erde uns davon abhält, direkt in das Zentrum unseres Heimatplaneten zu fallen. Wenn der Zentralkörper ein Schwarzes Loch ist, kann Materie direkt in Richtung des Horizonts des Schwarzen Lochs und in das Schwarze Loch fallen, um nie wieder gesehen zu werden. In beiden Fällen nimmt die Materie einen geraden Sprung.

Aber das ist keineswegs die einzige Möglichkeit– sondern eher die Ausnahme als die Regel. Normalerweise ist Materie in Bewegung, noch bevor sie nahe genug ist, damit das zentrale Objekt einen signifikanten Zug ausüben kann. Wenn diese Bewegung nicht genau auf das zentrale Objekt gerichtet ist – ein Sonderfall und daher sehr selten -, wird es eine Komponente der Seitwärtsbewegung geben, und wenn diese Komponente groß genug ist, trifft die fallende Materie nicht auf das zentrale Objekt, sondern geht daran vorbei.Ein mögliches Ergebnis eines solchen Beinaheunfalls ist eine Umlaufbahn, auf der die einfallende Masse nahe an den zentralen Objekten vorbeigeht, bevor sie in den Weltraum aufbricht, um niemals zurückzukehren (ungebundene Umlaufbahn). Eine andere ist eine geschlossene (gebundene) Umlaufbahn, auf der sich die einfallende Masse weiterhin um das zentrale Objekt bewegt; Bekannte Beispiele sind die Planeten in unserem Sonnensystem auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne.

Ein weiteres Beispiel für eine Near-Miss–Umlaufbahn, diese etwas komplizierter, ist im Bild unten zu sehen – ein Doppelsternsystem, das aus einem Riesenstern links und einem kompakten Begleitstern rechts besteht:

Der Riesenstern ist so groß, dass für einen Teil der Materie in seiner äußeren Hülle die Anziehungskraft des kompakten Begleiters größer ist als die des kompakten Begleiters riesenstern selbst. Die Materie wird in Richtung des Begleiters gezogen. Diese Materie taucht jedoch nicht direkt auf den Begleitstern ein, da sie ausreichend seitwärts bewegt ist, um eine sogenannte Akkretionsscheibe aufzubauen. Diese Scheibe aus Sternmaterial umkreist den Begleitstern.

Drehimpuls und das Schicksal der Materie in Akkretionsscheiben

Die Tatsache, dass Materie mit ausreichender Seitwärtsbewegung das zentrale Objekt verfehlt, ist auf das zurückzuführen, was Physiker die Erhaltung des Drehimpulses nennen. Wenn ein Objekt unter dem Einfluss der Schwerkraft eine zentrale Masse umkreist, machen die Gesetze der Mechanik eine klare Aussage: für das umkreisende Objekt muss das Produkt seiner Masse, seiner Entfernung zum Zentralkörper und der Geschwindigkeit, mit der es sich um diesen Körper bewegt – dies ist per Definition der Drehimpuls des Objekts – über die Zeit konstant bleiben. Ein umkreisender Planet kann nicht plötzlich seinen Kurs ändern und direkt in die Sonne gehen. Dafür müsste sein Drehimpuls entgegen den Gesetzen der Physik plötzlich auf Null springen. (Mehr über die Erhaltung des Drehimpulses finden Sie im Spotlight-Thema Was Eiskunstläufer, Planeten und Neutronensterne gemeinsam haben.)

Im Falle eines Planeten führt die Erhaltung des Drehimpulses zu einer regelmäßigen Umlaufbahn. Im Fall des oben abgebildeten Doppelsterns spielt er ebenfalls eine Rolle: Der Riesenstern in der Abbildung dreht sich langsam, ebenso wie die Materie in seinen äußeren Regionen. Folglich hat diese Materie einen Drehimpuls ungleich Null. Dieser Drehimpuls bleibt erhalten, wenn die Materieteilchen in Richtung des kompakten Begleiters fallen, um die Akkretionsscheibe zu bilden.

Die Situation in der Akkretionsscheibe ist deutlich komplizierter als bei umlaufenden Planeten. Die Gesetze der Mechanik bestimmen, dass sich die Gesamtsumme der Winkelmomente aller Materieteilchen im Laufe der Zeit nicht ändern kann, aber es ist durchaus zulässig, dass ein Teilchen Teile seines Drehimpulses auf andere Teilchen überträgt. Dies nennt man Drehimpulstransport. Zum Beispiel wird dieser Transport wichtig, sobald Turbulenzen auftreten. Turbulenz ist ein natürliches Phänomen in dynamischen Plasmen und Gasen (sowie in Flüssigkeiten). Der effizienteste Mechanismus zur Umverteilung des Drehimpulses ist die Plasmamaterie, bei der sich die verschiedenen Teilchen über schwache Magnetfelder gegenseitig beeinflussen. Das Nettoergebnis ist eine Umverteilung des Drehimpulses von den inneren in die äußeren Bereiche der Scheibe. Während dieses Prozesses schafft es die Materie in den innersten Regionen, genügend Drehimpuls abzugeben, um auf das zentrale Objekt selbst fallen zu können. Auf diese Weise sammelt sich immer mehr Materie am zentralen Objekt an. Ohne Drehimpulsübertragung wäre dieses Wachstum durch Akkretion unmöglich.

Leuchtende Scheiben

Die effektivsten Materiesammler sind die kompaktesten Objekte im Kosmos: Schwarze Löcher. Sie sind perfekte „Raumzeitfallen“ – nichts, was in ein Schwarzes Loch fällt, kann jemals entkommen, nicht einmal Licht. Daher sind Schwarze Löcher in der Tat so schwarz, wie ihr Name schon sagt, und für Astronomen sehr schwer zu erkennen. Die Situation ändert sich jedoch dramatisch, sobald ein Schwarzes Loch mit Materie aus seiner Umgebung „gefüttert“ wird – dann können Schwarze Löcher ihre Umgebung in die hellsten und spektakulärsten Regionen des Kosmos verwandeln!Es gibt mehrere Möglichkeiten für Schwarze Löcher, ihre kosmische Nachbarschaft zu beleuchten. Einige erfordern ganz besondere Umstände, aber eine ist überall dort universell, wo Materie in ein Schwarzes Loch fällt: die Erzeugung von Wärmestrahlung. Materie, die unter dem Einfluss der Schwerkraft auf ein zentrales Objekt fällt, wird auf immer höhere Geschwindigkeiten beschleunigt und gewinnt immer mehr kinetische Energie. Aber sobald ein Teilchen einfallender Materie in eine Akkretionsscheibe eintaucht – und möglicherweise früher – wird die Bewegung des Teilchens gestört. Aufgrund der häufigen Kollisionen zwischen all den verschiedenen Teilchen gibt es keine genau definierten einfachen Bahnen. Stattdessen ist das gesamte Ensemble von Teilchen in chaotischer Bewegung. Eine solche chaotische Bewegung mit Wirbeln und Instabilitäten – genau wie in einer turbulenten Flüssigkeit – ist in Akkretionsscheiben üblich. Per Definition ist ungeordnete mikroskopische Partikelbewegung thermische Bewegung und als solche direkt mit der Temperatur verbunden. Wenn die Bewegung der einfallenden Teilchen chaotisch wird, wird die Materie in der Akkretionsscheibe auf sehr hohe Temperaturen erhitzt. Die maximale Temperatur in einer Akkretionsscheibe um ein supermassives Schwarzes Loch, das hundertmal so groß ist wie unsere Sonne, beträgt etwa eine Million Kelvin, und für die Scheibe um ein stellares Schwarzes Loch kann sie bis zu hundertmal höher sein. Zum Vergleich: Die Temperatur im Kern unserer Sonne beträgt etwa 15 Millionen Kelvin.

In der Physik gibt es überall dort, wo Wärme ist, thermische elektromagnetische Strahlung. Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung – nur ein Körper mit einer Temperatur von absolutem Nullpunkt würde dies nicht tun, aber solche Körper können nicht existieren (weitere Informationen zur Wärmestrahlung finden Sie im Spotlight-Thema Wärme, die auf das Auge trifft). Mit zunehmender Körpertemperatur steigt auch die in Form von Strahlung emittierte Energie. Die Temperatur einer Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch ist hoch genug, damit die Scheibenmaterie große Mengen hochenergetischer Röntgenstrahlen emittieren kann.Materie, die auf ein zentrales Objekt fällt und eine Akkretionsscheibe bildet, stellt eine äußerst effiziente Möglichkeit dar, Strahlung aus anderen Energieformen (in diesem Fall Gravitationsenergie) zu erzeugen. Es ist ungefähr 30 Mal effizienter als die Kernfusion, der Energieumwandlungsmechanismus, der für die Leuchtkraft unserer Sonne und anderer Sterne verantwortlich ist.

Bisher ist es noch keinem Astronomen gelungen, detaillierte Bilder des Akkretionsflusses auf ein zentrales Schwarzes Loch aufzunehmen – das würde eine höhere Auflösung erfordern, als aktuelle Teleskope bieten können. Stattdessen haben Astrophysiker indirekte Möglichkeiten, ihre Annahmen darüber zu testen, was in der Nähe eines solchen Schwarzen Lochs passiert: Aus Computersimulationen können sie die Spektren von Akkretionsscheiben vorhersagen – die Art und Weise, wie sich die Strahlungsenergie auf die verschiedenen Frequenzen verteilt. Diese Spektren tragen einen deutlichen Abdruck der lokalen Bedingungen – eine starke Gravitationsrotverschiebung erzählt von der Kompaktheit des zentralen Objekts; Systematische Dopplerverschiebungen zeichnen auf, wie sich Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in der umgebenden Scheibe bewegt. Wenn Beobachtungen zeigen, dass die im innersten Bereich konzentrierte Masse hoch genug ist – ohne dass an dieser Stelle ein leuchtendes Objekt sichtbar ist –, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das zentrale Objekt ein Schwarzes Loch ist.

Aus dieser Liste charakteristischer Eigenschaften haben Astronomen eine klare Vorstellung davon, wonach sie suchen müssen, und wie sich herausstellt, gibt es tatsächlich Objekte am Nachthimmel mit genau den erforderlichen Eigenschaften. Tatsächlich ist die Übereinstimmung zwischen Vorhersage und Beobachtung für eine Reihe von Kandidatenobjekten ziemlich beeindruckend. Es scheint also, dass unser Universum schwarze Löcher enthält, die Materie akkretieren. (Weitere Informationen zu den astronomischen Objekten finden Sie im Spotlight-Thema Active black holes: Ultra-hot cosmic Beacons.)

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