Ein sich aktiv ernährendes Schwarzes Loch umgibt sich mit einer Scheibe aus heißem Gas und Staub, die wie ein Lagerfeuer flackert. Astronomen haben nun herausgefunden, dass die Überwachung von Veränderungen dieses Flackerns etwas aufdecken kann, das notorisch schwer zu messen ist: das Gewicht des Ungetüms.
„Es ist eine neue Art, Schwarze Löcher zu wiegen“, sagt der Astronom Colin Burke von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Darüber hinaus könnte die Methode auf jedes astrophysikalische Objekt mit einer Akkretionsscheibe angewendet werden und könnte sogar dabei helfen, schwer fassbare mittelgroße Schwarze Löcher zu finden, berichten Forscher am 13. August Wissenschaft.
Es ist nicht einfach, die Masse eines Schwarzen Lochs zu messen. Zum einen sind die dunklen Giganten notorisch schwer zu erkennen. Aber manchmal zeigen sich schwarze Löcher, wenn sie essen. Wenn Gas und Staub in ein Schwarzes Loch fallen, organisiert sich das Material zu einer Scheibe, die auf weißglühende Temperaturen erhitzt wird und in einigen Fällen alle Sterne in der Galaxie zusammen überstrahlen kann.
Die Messung des Durchmessers des Schwarzen Lochs kann seine Masse mithilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie aufdecken. Aber nur das weltumspannende Event Horizon Telescope hat diese Art von Messungen gemacht, und bisher nur für ein Schwarzes Loch (SN: 22.04.19). Andere Schwarze Löcher wurden durch Beobachtungen ihres Einflusses auf das Material um sie herum gewogen, aber das erfordert viele Daten und funktioniert nicht für jedes supermassive Schwarze Loch.
Auf der Suche nach einem anderen Weg wandten sich Burke und seine Kollegen den Akkretionsscheiben zu. Astronomen sind sich nicht sicher, wie die Scheiben von Schwarzen Löchern flackern, aber es scheint, dass kleine Veränderungen des Lichts die gesamte Scheibe über einen bestimmten Zeitraum aufhellen oder abdunkeln. Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass die Zeit, die eine Scheibe braucht, um zu verblassen, aufzuhellen und wieder zu verblassen, mit der Masse ihres zentralen Schwarzen Lochs zusammenhängt. Aber diese Behauptungen waren umstritten und deckten nicht den gesamten Massenbereich Schwarzer Löcher ab, sagt Burke.
Also sammelten er und seine Kollegen Beobachtungen von 67 aktiven schwarzen Löchern mit bekannter Masse. Die Giganten überspannten Größen von 10.000 bis 10 Milliarden Sonnenmassen. Bei den kleinsten dieser Schwarzen Löcher änderte sich das Flackern auf Zeitskalen von Stunden bis Wochen. Supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen zwischen 100 Millionen und 10 Milliarden Sonnenmassen flackerten alle paar hundert Tage langsamer.
„Das gibt uns einen Hinweis darauf, dass, okay, wenn diese Beziehung für kleine supermassive Schwarze Löcher und große Schwarze Löcher gilt, es vielleicht ein universelles Merkmal ist“, sagt Burke.
Aus Neugier betrachtete das Team auch Weiße Zwerge, die kompakten Leichen von Sternen wie der Sonne, die zu den kleinsten Objekten gehören, die konsistente Akkretionsscheiben aufweisen. Diese Weißen Zwerge folgten der gleichen Beziehung zwischen Flimmergeschwindigkeit und Masse.
Die analysierten Schwarzen Löcher deckten nicht den gesamten möglichen Massenbereich ab. Bekannte Schwarze Löcher mit einer etwa 100- bis 100.000-fachen Sonnenmasse sind selten. Es gibt mehrere potenzielle Kandidaten, aber nur einer wurde bestätigt (SN: 02.09.20). In Zukunft könnte die Beziehung zwischen Scheibenflimmern und Masse des Schwarzen Lochs Astronomen genau sagen, nach welcher Art von Scheibenflimmern sie suchen müssen, um diese mittelgroßen Bestien aus ihrem Versteck zu holen, wenn sie dort gefunden werden können, sagt Burke.
Die Astrophysikerin Vivienne Baldassare von der Washington State University in Pullman untersucht Schwarze Löcher in Zwerggalaxien, die möglicherweise einige der Eigenschaften alter Schwarzer Löcher bewahren, die sich im frühen Universum gebildet haben. Eine der größten Herausforderungen in ihrer Arbeit ist die Messung der Massen von Schwarzen Löchern. Die „super spannenden Ergebnisse der Studie … werden einen großen Einfluss auf meine Forschung haben, und ich erwarte auch viele andere“, sagt sie.
Die Methode bietet eine einfachere Möglichkeit, Schwarze Löcher zu wiegen als jede andere bisherige Technik, sagt Burke – aber nicht unbedingt eine schnellere. Massivere Schwarze Löcher zum Beispiel würden Hunderte von Tagen oder möglicherweise Jahren von Beobachtungen benötigen, um ihre Massen zu enthüllen.
Kommende Observatorien planen bereits, solche Daten aufzunehmen. Das Vera C. Rubin Observatory wird voraussichtlich ab 2022 oder 2023 jede Nacht den gesamten Himmel beobachten (SN: 1/10/20). Sobald das Teleskop lange genug in Betrieb ist, werden die Beobachtungen, die zum Wiegen von Schwarzen Löchern erforderlich sind, „umsonst aus den Daten des Rubin-Observatoriums herausfallen“, sagt Burke. „Wir bauen es schon. Wir können das genauso gut tun.“