Schwarzes Loch macht fette Beute

Eine Gaswolke nähert sich dem Zentrum der Milchstraße

Noch darbt das schwarze Loch im Herzen der Galaxis. Doch mit der Diät könnte es im Herbst vorbei sein: Eine Gaswolke ist dem Massemonster zu nahe gekommen und wird magisch von ihm angezogen. Die Fütterung des schwarzen Lochs würde sich vor den Augen der Astronomen abspielen, die dann eine deutliche Zunahme der Strahlung registrieren sollten. Schon jetzt sehen sie, wie das schwarze Loch die Gaswolke in die Länge zieht. Entdeckt hatte die Wolke im Jahr 2011 ein internationales Team unter Leitung von Wissenschaftlern aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Text: Helmut Hornung

In einer klaren Nacht zieht sich ein diffuses Band über das Firmament: die Milchstraße. Sie ist Teil der Galaxis – jenes Systems aus Gas, Staub und mindestens hundert Milliarden Sternen, dem auch unsere Sonne angehört. In Richtung der Konstellation Schütze (lateinisch: Sagittarius) erblicken wir besonders viele Sterne. Dort, verborgen hinter kosmischen Wolken, liegt das Zentrum der Galaxis. Und dort beobachten Astronomen schon seit mehreren Jahren die kompakte Radioquelle Sagittarius A*, hinter der offenbar ein schwarzes Loch steckt.

Mit einer Entfernung von rund 26.000 Lichtjahren ist das Objekt als einziges supermassereiches schwarzes Loch nahe genug für Detailstudien. Langfristige Beobachtungen der Sternbahnen rund um dieses Gravitationsmonster haben ergeben, dass es ungefähr 4,3 Millionen Sonnenmassen besitzt. Die meiste Zeit verhält es sich still und zeigt nur gelegentlich kleine Strahlungsausbrüche. Zwar können schwarze Löcher an sich keine Strahlung aussenden; die Emission entsteht aber, wenn Materie auf den sie umgebenden Ereignishorizont fällt, sich dabei aufheizt und potenzielle Energie freisetzt.

Die sehr scharfen Bilder und detaillierten Beobachtungen des galaktischen Zentrums mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) zeigen eine Gaswolke von etwa drei Erdmassen, die jetzt in die unmittelbare Nähe des schwarzen Lochs gerät. Die Astronomen fanden heraus, dass die Umlaufbahn der Wolke sehr exzentrisch ist. Noch rätseln sie, ob in der galaktischen „Speise“ vielleicht ein Stern steckt. Max-Planck-Forscher jedenfalls haben dafür keine Anhaltspunkte gefunden

Die Gaswolke bildet sich auf allen langwelligen Infrarotbildern seit 2002 ab und zeigt seit einigen Jahren erste Auflösungserscheinungen. Je näher sie dem schwarzen Loch kommt, umso mehr wird sie mit dem heißen Gas in der Umgebung der Gravitationsfalle wechselwirken und schließlich durch Turbulenzen zerstört werden.

In den nächsten Monaten wird die Gaswolke mit vermutlich 40 Milliarden Kilometern oder 36 Lichtstunden den geringsten Anstand zum schwarzen Loch erreichen – astronomisch gesehen ein Katzensprung. „Nur zwei Sterne sind dem schwarzen Loch seit dem Beginn unserer Beobachtungen im Jahr 1992 so nahe gekommen“, sagt Stefan Gillessen, Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Erstautor des Nature-Aufsatzes über die Entdeckung der Wolke.

Die Sterne S2 und S0-102 rasen auf eiförmigen Bahnen mit Geschwindigkeiten von mehreren Millionen Kilometern pro Stunde in 15,2 und 11,5 Jahren einmal um das galaktische Zentrum. Eine magische Kraft scheint sie anzutreiben. Diese Kraft ist die Gravitation. Sie lässt auch die Erde um die Sonne laufen, muss im Fall der beiden Sterne S2 und S0-102 aber gigantisch groß sein – und vom schwarzen Loch stammen.

Wann genau das kosmische Festmahl in den nächsten Monaten beginnt, ist noch offen; die Gruppe um Gillessen vermutet Herbst 2013. Recht konkrete Vorstellungen haben die Forscher dagegen vom Ablauf, das Mahl wird wohl drei Gänge umfassen: Zunächst wirbeln die Gezeitenkräfte der Schwerkraftfalle die Wolkenmaterie durcheinander und ziehen sie zu "Gasspaghettis" auseinander; ein paar Wochen später sammelt sich die Materie in einer Scheibe um das schwarze Loch, ähnlich Wasser um den Badewannenabfluss; irgendwann verschwindet dann die Materie hinter dem sogenannten Ereignishorizont und damit aus unserer Welt.

Während der Mahlzeit sollte sich der Zustrom an Materie auf das schwarze Loch deutlich erhöhen und damit auch die Strahlung, die von ihm ausgeht. „Da die Masse der Gaswolke um einiges größer ist als die Masse des heißen Gases in der Nähe des schwarzen Lochs, wird die Akkretion nahe dem Ereignishorizont eine Zeitlang von der Wolke dominiert werden“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Leiter der Gruppe, die das galaktische Zentrum untersucht.

„Wir werden sehr genaue Informationen über die physikalischen Bedingungen erhalten, die bei der Akkretion auf ein schwarzes Loch eine Rolle spielen, da wir für die Gaswolke die zur Verfügung stehende Masse exakt bestimmen können“, so Genzel.

Die Astronomen haben die Details des beschriebenen Drei-Gänge-Menüs schon mal durchgespielt. Das Szenario: Während die Wolke in Richtung Schwerkraftfalle fällt, löst das heiße Gas in der Akkretionsscheibe um das schwarze Loch eine Schockwelle aus, welche die Wolke langsam verdichtet. Das führt zu einer stetig wachsenden dichten Hülle um das Innere der Gaswolke. Die Gezeitenkräfte des schwarzen Lochs ziehen die Wolke entlang ihrer Bewegungsrichtung so lange auseinander, bis sie durch Instabilitäten an der Kontaktfläche vollständig aufbricht.

Schließlich wird die Stoßwelle immer stärker – bis die Wolke den Punkt der Bahn erreicht, die dem schwarzen Loch am nächsten liegt. Dadurch steigt die Temperatur schnell auf vermutlich mehrere Millionen Grad Celsius. Das sollte zu erhöhter Strahlung führen, insbesondere im hochenergetischen Röntgenbereich.

Aufgrund der langjährigen Beobachtungen bei vielen verschiedenen Wellenlängen können die Astronomen die Eigenschaften der Wolke sehr genau bestimmen. Ihre Temperatur beträgt etwa 280 Grad Celsius, ihre Dichte ist 300-mal höher als die des umgebenden heißen Gases. Und sie besitzt eine Gesamtmasse von etwa 1,7 × 10²⁵ Kilogramm, entsprechend der oben erwähnten drei Erdmassen. Dank dieser Informationen simulieren die Astronomen die zeitliche Entwicklung von Wolkenform und -geschwindigkeit in einem Modell; die wichtigsten Faktoren stellen dabei die Anziehungskraft des supermassereichen schwarzen Lochs und die Wechselwirkung mit dem umgebenden heißen Gas dar.

Anhand dieser Simulation und hydrodynamischer Berechnungen sagen die Forscher die oben erwähnte Temperaturerhöhung der Gaswolke und den Anstieg der Röntgenemission voraus. In den Folgejahren könnte die Strahlung möglicherweise noch um ein Vielfaches zunehmen – auch in anderen Wellenlängenbereichen, wenn das Material der Wolke schließlich im schwarzen Loch verschwindet.

„Detaillierte Beobachtungen der Strahlung aus dem galaktischen Zentrum geben uns in den nächsten Jahren die einmalige Gelegenheit, die Eigenschaften des Akkretionsflusses genau zu untersuchen und in Echtzeit zu verfolgen, wie das supermassereiche schwarze Loch Materie schluckt“, sagt Stefan Gillessen.