„Rogue Black Holes“ könnten weder „Rogue“ noch „Black Holes“ sein

Startseite » „Rogue Black Holes“ könnten weder „Rogue“ noch „Black Holes“ sein
„Rogue Black Holes“ könnten weder „Rogue“ noch „Black Holes“ sein

Wenn ein Stern mit der 20-fachen Masse unserer Sonne stirbt, kann er in einer Supernova explodieren und (mit Hilfe der Schwerkraft) wieder in ein dichtes Schwarzes Loch fallen. Aber diese Explosion ist nie perfekt symmetrisch, daher rasen die resultierenden Schwarzen Löcher manchmal in den Weltraum. Diese wandernden Objekte werden oft als „bösartige schwarze Löcher“ bezeichnet, weil sie frei herumschweben, ungebunden von anderen Himmelskörpern.

Aber dieser Name könnte eine „Fehlbezeichnung“ sein Jessica Lu, außerordentlicher Professor für Astronomie an der University of California Berkeley. Sie bevorzugt den Begriff „frei schwebend“, um diese Schwarzen Löcher zu beschreiben. „Rogue“, sagt sie, impliziert, dass die Nomaden selten oder ungewöhnlich sind – oder nichts Gutes im Schilde führen.

Das ist sicherlich nicht der Fall. Astronomen schätzen, dass es welche gibt bis zu 100 Millionen solcher Schwarzen Löcher die durch unsere Galaxie streifen. Aber weil sie Einzelgänger sind, sind sie extrem schwer zu finden. Bis vor kurzem waren diese sogenannten Schurken-Schwarzen Löcher nur durch Theorie und Berechnungen bekannt.

„Das sind sozusagen Geister“, sagt Lu, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, die freischwebenden Schwarzen Löcher der Milchstraße zu finden.

[Related: We’re still in the dark about a key black hole paradox]

Anfang dieses Jahres enthüllten zwei Teams von Weltraumforschern unabhängig voneinander Entdeckungen von etwas, das nur eines dieser umherziehenden Schwarzen Löcher sein könnte. Eines dieser Teams wurde von geführt Casey Lammein Doktorand in Lus Labor. Der andere wurde vorbeigeführt Kailash C Sahu, ein Astronom am Space Telescope Science Institute. Beide Teams veröffentlichten ihre Arbeiten ohne Expertenprüfung in einem kostenlosen Open-Access-Journal.

Die Wissenschaftler werden im Oktober weitere Daten vom Hubble-Weltraumteleskop erhalten, die laut Lu dazu beitragen sollten, „das Rätsel zu lösen, ob dies ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern ist“. „Es gibt immer noch große Unsicherheit darüber, wie Sterne sterben und welche Geisterreste sie hinterlassen“, stellt sie fest. Wenn Sternen, die viel massereicher sind als unsere Sonne, der Kernbrennstoff ausgeht, wird angenommen, dass sie entweder in ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern kollabieren. „Aber wir wissen nicht genau, welche sterben und sich in Neutronensterne oder sterben und sich in Schwarze Löcher verwandeln“, fügt Lu hinzu. „Wir wissen nicht, wann ein Schwarzes Loch entsteht und ein Stern stirbt, gibt es eine heftige Supernova-Explosion? Oder kollabiert es direkt in ein schwarzes Loch und rülpst vielleicht nur ein bisschen?“

Da Sternenmaterial alles ausmacht, was wir auf der Welt wissen, ist das Verständnis des Nachlebens von Sternen der Schlüssel zum Verständnis, wie wir selbst entstanden sind.

Wie man ein schwarzes Loch auf freiem Fuß erkennt

Schwarze Löcher sind von Natur aus unsichtbar. Sie fangen das gesamte Licht ein, auf das sie treffen, daher gibt es für das menschliche Auge nichts zu erkennen. Astronomen müssen also kreativ werden, um diese dichten, dunklen Objekte zu entdecken.

Typischerweise suchen sie nach Anomalien in Gas, Staub, Sternen und anderem Material, die durch die extrem starke Schwerkraft eines Schwarzen Lochs verursacht werden könnten. Wenn ein Schwarzes Loch Material von einem anderen Himmelskörper wegreißt, kann die resultierende Scheibe aus Trümmern, die das Schwarze Loch umgibt, hell sichtbar sein. (So ​​nahmen Astronomen die erstes direktes Bild von einem im Jahr 2019 und ein Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße Anfang dieses Jahres.)

Aber wenn ein Schwarzes Loch nicht mit seiner Gravitationskraft Chaos anrichtet, ist kaum etwas zu entdecken. Das ist oft bei diesen sich bewegenden Schwarzen Löchern der Fall. Astronomen wie Lu verwenden also eine andere Technik namens astrometrische oder gravitative Mikrolinsen.

„Wir warten auf die zufällige Ausrichtung eines dieser frei schwebenden Schwarzen Löcher und eines Hintergrundsterns“, erklärt Lu. „Wenn sich die beiden ausrichten, wird das Licht des Hintergrundsterns durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt [in front of it]. Es zeigt sich als Aufhellung des Sterns [in the astronomical data]. Es macht auch einen kleinen Ausflug in den Himmel, ein kleines Wackeln sozusagen.

Der Hintergrundstern bewegt sich nicht wirklich – er scheint vielmehr von seinem Kurs abzukommen, wenn das Schwarze Loch oder ein anderes kompaktes Objekt vor ihm vorbeizieht. Das liegt daran, dass die Schwerkraft des Schwarzen Lochs das Gewebe der Raumzeit verzerrt, gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, die das Sternenlicht verändert.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein wanderndes Schwarzes Loch unsere himmlische Nachbarschaft durchdringen und das Leben auf der Erde stören könnte, ist „astronomisch gering“.

Astronomen verwenden Mikrolinsen, um alle Arten von vorübergehenden Phänomenen im Universum zu untersuchen, von Supernovae bis hin zu Exoplaneten, die um ihre Sterne herumziehen. Mit bodengestützten Teleskopen ist dies jedoch schwierig, da die Erdatmosphäre die Bilder verwischen kann.

„In der Astrometrie versucht man, die Position von etwas sehr genau zu messen, und man braucht sehr scharfe Bilder“, erklärt Lu. Astronomen verlassen sich also auf Teleskope im Weltraum wie Hubble und einige bodengestützte Instrumente, die über ausgeklügelte Systeme verfügen, um sich an die atmosphärischen Störungen anzupassen. „Es gibt wirklich nur drei Einrichtungen auf der Welt, die diese astrometrische Messung durchführen können“, sagt Lu. „Wir arbeiten an der Spitze dessen, was unsere Technologie heute leisten kann.“

Das erste schwarze Loch?

Es war diese Aufhellung oder ein „Gravitationslinsenereignis“, wie Lu es nennt, das sowohl sie als auch Sahus Teams 2011 in Daten des Hubble-Weltraumteleskops entdeckten. Sie vermuteten, dass etwas vor diesem Stern vorbeiziehen musste.

Um herauszufinden, was das Wackeln und die Intensitätsänderung im Licht eines Sterns verursacht hat, sind zwei Messungen erforderlich: Helligkeit und Position. Astronomen beobachten denselben Punkt am Himmel im Laufe der Zeit, um zu sehen, wie sich das Licht ändert, wenn das Objekt vor dem Stern vorbeizieht. Dadurch erhalten sie die Daten, die sie benötigen, um die Masse dieses Objekts zu berechnen, die wiederum bestimmt, ob es sich um ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern handelt.

„Wir wissen, dass das Ding, das die Linse macht, schwer ist. Wir wissen, dass es schwerer ist als ein typischer Stern. Und wir wissen, dass es dunkel ist“, bemerkt Lu. „Aber wir sind uns immer noch ein wenig unsicher, wie schwer und wie dunkel genau.“ Wenn es nur ein bisschen schwer ist, sagen wir, anderthalb Mal so viel wie unsere Sonne, könnte es tatsächlich ein Neutronenstern sein. Aber wenn es drei- bis zehnmal so massiv ist wie unsere Sonne, dann wäre es ein Schwarzes Loch, erklärt Lu.

Als die beiden Teams von 2011 bis 2017 Daten sammelten, zeigten ihre Analysen deutlich unterschiedliche Massen für dieses kompakte Objekt. Sahus Team stellte fest, dass das umherziehende Objekt eine Masse hat, die siebenmal so groß ist wie unsere Sonne, was es direkt in das Gebiet der Schwarzen Löcher bringen würde. Aber das Team von Lam und Lu berechnete, dass es weniger massiv ist, irgendwo zwischen 1,6 und 4,4 Sonnenmassen, was beide Möglichkeiten umfasst.

[Related: Black holes can gobble up neutron stars whole]

Die Astronomen können sich nicht sicher sein, welche Berechnung richtig ist, bis sie wissen, wie hell der Hintergrundstern normalerweise ist und wo er sich am Himmel befindet, wenn nichts vor ihm vorbeizieht. Sie waren nicht auf diesen Stern fokussiert, bevor sie seine uncharakteristische Helligkeit und sein Wackeln bemerkten, also bekommen sie gerade jetzt die Gelegenheit, diese Basisbeobachtungen zu machen, da der Linseneffekt verblasst ist, erklärt Lu. Diese Beobachtungen werden aus neuen Hubble-Daten im Herbst stammen.

Was sie wissen, ist, dass sich das fragliche Objekt in der befindet Carina Schütze Spiralarm der Milchstraße und ist derzeit etwa 5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Diese Entdeckung deutet auch darauf hin, dass das nächste umherstreifende Schwarze Loch weniger als 100 Lichtjahre entfernt sein könnte, sagt Lu. Aber das ist kein Grund zur Sorge.

„Schwarze Löcher sind ein Abfluss. Wenn du nahe genug herankommst, werden sie dich verzehren“, betont Lu. „Aber man muss sehr nah herankommen, viel näher, als wir uns das normalerweise vorstellen.“ Die Grenze um ein Schwarzes Loch, die die Linie markiert, an der Licht noch seiner Schwerkraft entkommen kann, wird als Ereignishorizont bezeichnet und hat normalerweise einen Radius von weniger als 20 Meilen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein wanderndes Schwarzes Loch unsere himmlische Nachbarschaft durchdringen und das Leben auf der Erde stören könnte, ist „astronomisch gering“, sagt Lu. „Das ist die Größe einer Stadt. Ein Schwarzes Loch könnte also am Sonnensystem vorbeiziehen und wir würden es kaum bemerken.“

Aber sie schließt es nicht aus. „Ich bin Wissenschaftlerin“, sagt sie. „Ich kann nicht sagen, keine Chance.“

Unabhängig davon, ob die ersten Teams ein wanderndes Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern entdeckten, sagt Lu, „die wahre Revolution, die diese beiden Arbeiten zeigen, ist, dass wir diese Schwarzen Löcher jetzt mithilfe einer Kombination aus Helligkeits- und Positionsmessungen finden können.“ Dies öffnet die Tür für Entdeckungen von mehr lichteinfangenden Nomaden, insbesondere wenn neue Teleskope in Betrieb gehen, darunter das derzeit in Chile im Bau befindliche Vera C. Rubin-Observatorium und das römische Weltraumteleskop Nancy Grace, das noch in diesem Jahrzehnt gestartet werden soll.

Aus Sicht von Lu hat „das nächste Kapitel der Erforschung schwarzer Löcher in unserer Galaxie bereits begonnen“.