Forscher finden überraschenden Zusammenhang – von supermassereichen bis zu stellaren Schwarzen Löchern

Die Masse Schwarzer Löcher zu bestimmen, ist nicht immer einfach – insbesondere, wenn sie sich im Zentrum weit entfernter Galaxien befinden. Ein Forscherteam aus den USA und Großbritannien ist jetzt auf einen überraschenden Zusammenhang gestoßen, der das „Wiegen“ von Schwarzen Löchern erleichtern könnten: Das Flackern der rotierenden Materiescheiben um die Schwarzen Löcher hängt demnach auf charakteristische Art und Weise von der Masse ihres jeweiligen Schwarzen Loch ab. Und diese Korrelation gelte, so schreiben die Forscher im Fachblatt „Science“, offenbar nicht nur für supermassereiche Schwarze Löcher in Galaxien, sondern auch für solche, die aus Sternen entstanden sind.

Schwarze Löcher saugen zwar Materie aus ihrer Umgebung auf, aber diese kann aufgrund der Drehimpulserhaltung nicht direkt in ein Schwarzes Loch hineinfallen. Vielmehr sammelt sich die Materie zunächst in einer rotierenden Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch und fällt von dort auf Spiralbahnen hinein. Diese Materiescheiben leuchten hell – obwohl sie nur etwa so groß wie unserer Sonnensystem sind, können sie bei supermassereichen Schwarzen Löchern heller strahlen als die gesamte umgebende Galaxie.

„Physikalische Prozesse in der Akkretionsscheibe führen zu stochastischen – also unregelmäßigen – Schwankungen der Helligkeit“, erläutern Colin Burke von der University of Illinois in den USA und seine Kollegen. Welche Vorgänge dafür verantwortlich sind, sei allerdings bislang unklar. Deshalb haben Burke und sein Team Archivdaten der Helligkeitsschwankungen von Akkretionsscheiben um supermassereiche Schwarze Löcher in Galaxien ausgewertet.

Dabei konzentrierten sich die Astrophysiker auf solche Objekte, für die sich die Masse des Schwarzen Lochs mithilfe anderer Methoden gut abschätzen ließ. Insgesamt 67 Objekte im Massenbereich von zehntausend bis zehn Milliarden Sonnenmassen erfüllten schließlich die Auswahlkriterien der Forscher. Zu ihrer Überraschung fanden Burke und seine Kollegen einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Masse der Schwarzen Löcher und der „Dämpfungszeitskala“ der Helligkeitsschwankungen der Akkretionsscheibe. Die Dämpfungzeitskala beschreibt, oberhalb welcher Zeitskala die Schwankungen deutlich schwächer werden.

Mehr noch: Ein Vergleich mit Akkretionsscheiben um Weiße Zwergsterne zeigt, dass selbst diese viel kleineren Himmelskörper noch durch den gefundenen Zusammenhang erfasst werden. Das deute darauf hin, dass bei allen Akkretionsscheiben – unabhängig von der Masse des zentralen Objekts – ein und derselbe physikalische Prozess für das Flackern verantwortlich ist, so die Forscher. Zwar sei dieser Prozess immer noch unbekannt, „aber unabhängig von diesem physikalischen Mechanismus lässt sich die beobachtete Relation zwischen Dämpfungszeitskala und Masse nutzen, um die Masse Schwarze Löcher mithilfe der optischen Variabilität zu ermitteln“, so Burke und seine Kollegen.

Bildquelle: Mark A. Garlick / Simons Foundation