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Raumzeitwellen und Schwarze Löcher
10. Januar 2005, Ingo Froeschmann. Zwei Astronomen haben Anzeichen dafür gefunden, dass heißes, gasförmiges Eisen auf einer Raumzeitwelle um ein Schwarzes Loch reitet. Sollte sich diese Beobachtung bestätigen, würde das ein neues Phänomen darstellen, das über Einsteins Relativitätstheorie hinausgeht.


Künstlerische Darstellung einer Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch ((Vergrößerung (26k)) ( (Quelle: Harvard)
Die Beobachtungen bestätigen eine wichtige Theorie über die Art wie die extreme Gravitation Schwarzer Löcher Lichtwellen streckt. Die Daten geben außerdem einen faszinierenden Einblick, wie ein rotierendes Schwarzes Loch seine Umgebung verändert und eine raues, alles deformierendes Raumzeitmeer verursacht.

Die Astronomen Jon Miller vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics und Jeroen Homan vom Massachusetts Institute of Technology machten ihre Beobachtungen mit dem Rossi X-ray Timing Explorer der NASA.

„Schwarze Löcher sind so extreme Objekte, dass sie sogar die Struktur der Raumzeit verzerren, während sie sich drehen,“ sagt Miller. „Um das Schwarze Loch strömendes Gas eine keine Wahl als sich von den Wellen tragen zu lassen. Albert Einstein hatte das vor über 80 Jahren vorausgesagt, und nun beginnen wir, die Beweise dafür zu sehen.“

Ein Schwarzes Loch bezeichnet eine Region im All mit so hoher Gravitation, dass nicht einmal Licht entfliehen kann. Gas und Staub wirbeln in einer Akkretionsscheibe auf das Schwarze Loch zu wie Wasser in einem Abfluss. Dieser Prozess der Akkretion oder auch Rotation generiert massenhaft Licht – hauptsächlich im Röntgenbereich und besonders in den innersten und heißesten Bereichen der Akkretionsscheibe. Nah am Schwarzen Loch ist die Gravitation sehr hoch, aber Licht kann immer noch dem Loch entkommen, indem es bei der Flucht Energie abgibt. Das ermöglicht es den Astronomen, Schwarze Löcher mit Röntgenteleskopen wie dem Rossi Explorer zu erforschen.

Miller und Homan haben erstmals eine Verbindung zwischen zwei wichtigen Charakteristika Schwarzer Löcher gefunden: quasi-periodische Schwankungen (quasi-periodic oscillations, QPOs) und die breite Eisen-K Linie. QPOs beziehen sich auf die Art und Weise wie Röntgenlicht flackert. Die breite Eisen-K Linie bezieht sich auf die Form eines Ausschlags auf einem Spektogramm (ein Werkzeug, mit dem die Astronomen Eigenschaften des Lichts untersuchen). Das Licht von Eisenatomen das bei einer bestimmten Frequenz abgestrahlt wird verursacht eine helle Linie in einem Spektrogramm. Die Linie ist verbreitert, oder durch niedrigere Energie gestreckt, weil das Licht auf seinem Weg vom Schwarzen Loch Energie verloren hat.

Mit Hilfe des Rossi Explorers haben Miller und Homann ein 40 000 Lichtjahre entferntes Schwarze Loch mit der Bezeichnung GRS 1915+105 im Sternbild Adler studiert. Sie entdeckten, dass ein niederfrequentes QPO von ein bis zwei Hertz mit den Veränderungen der breiten Eisen-K Linie übereinstimmt. Die Tatsache das die beiden Signale synchron und unbeeinflusst von anderen Phänomenen wie Jets waren, legt nahe, dass beide Signale sehr nah am Schwarzen Loch selber entstehen. Das schließt zumindest eine Theorie aus, die besagt, dass breite Eisen-K Linien in gewisser Entfernung von Schwarzen Löchern entstehen.

Die Entdeckung warf die Frage nach der Ursache des Zusammenhangs auf. „Hochfrequente QPOs entstehen wahrscheinlich durch Materie, die um ein schwarzes Loch herumrast und dabei wie Glühbirnen an einem Karussell leuchten,“ sagt Homan. „Wobei das Jahrmarktkarussel natürlich um ein vielfaches langsamer ist. Wir sehen Frequenzen von einigen hundert Hertz, also einige hundert Umdrehungen der Akkretionsscheibe in der Sekunde!“

Niederfrequente QPOs sind ein größeres Rätsel. Sie betragen typischerweise ein bis zehn Hertz und kommen recht häufig in einigen binären Systemen vor, die ein Schwarzes Loch enthalten. Miller und Homan behaupten, dass in dem von ihnen beobachteten System die niedrige Frequenz das Flackern der Raumzeitwelle sein könnte. In diesem Fall würde das niederfrequente Flackern von der Struktur des Raumes selbst, der um das Schwarze Loch herum verzerrt wird, stammen. Das ist unter dem Namen Lense-Thirring Präzession bekannt und leitet sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ab.

Stellen Sie sich die Akkretionsscheibe wie eine Musik CD vor. Die von der Raumzeitverzerrung verursachte Welle würde die Oberfläche der flachen Scheibe vergrößern. Die Breite der Eisen-K Linie hängt von der Oberfläche ab. Ein kurzer Anstieg der Oberfläche, also ein Flackern bei ein oder zwei Hertz, könnte die wiederholten Veränderungen der Eisen-K Linie erklären. Jedes mal wenn das heiße Gas auf die Raumzeitkrümmung stößt, bekommt das Licht einen Stoß und die breite Eisen-K Linie verändert ihre Form.

Miller und Homan mahnen, dass dies nur eine mögliche Erklärung ihrer Beobachtungen sei und andere Erklärungen möglich seien. Klar ist in den Augen der Astronomen, dass eine Beziehung zwischen QPOs und K-Linie besteht, was bedeutet, dass sie dichter an Schwarzen Löchern forschen als irgendjemand zuvor.
Quelle: Harvard Pressemitteilung zur Startseite...
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