Nachdem Forschende im Jahr 1939 die Existenz von Schwarzen Löchern vorhergesagt hatten, blieben diese zunächst ein rein theoretisches Gebilde. Wenn überhaupt, beschäftigten sich Mathematiker und theoretische Physiker damit, vor allem waren das die Liebhaber der Allgemeinen Relativitätstheorie. Astronomen und Astrophysikerinnen hingegen kümmerten sich nicht um Schwarze Löcher – denn noch war sich niemand sicher, dass es sie tatsächlich gibt.

Das sollte sich erst in den 1960er-Jahren ändern. Damals wurde klar, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur ein theoretisches Konstrukt ist, sondern sich auch an astronomischen Himmelsobjekten beobachten lässt. Da Schwarze Löcher eine Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, stellte sich damit die Fragen, ob es sie tatsächlich gibt und falls ja, wie man sie überhaupt beobachten könnte.

In dieser Folge erzählt Franzi, wie Astronominnen und Astronomen das erste Schwarze Loch entdeckt haben: eine helle Röntgenquelle namens Cygnus X-1 im Sternbild Schwan – und warum sie sich trotzdem lange Zeit nicht sicher sein konnten, dass es wirklich existierte.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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Der Beitrag AstroGeo Podcast: Cygnus X-1, das erste Schwarzes Loch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: FAU.

Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker unter Beteiligung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen. Das Schwarze Loch und sein Begleitstern in der Milchstraße sind weiter von der Erde entfernt und wesentlich massereicher als bisher angenommen. Das Projekt liefert zugleich neue Antworten auf die Frage, wie Schwarzer Löcher überhaupt entstehen. Die Ergebnisse sind im führenden Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht worden.

Den ersten Hinweis gab es bereits 1964: Zwei Geigerzähler an Bord einer suborbitalen Rakete, die von New Mexico aus abgefeuert wurde, registrierten eine starke Röntgenquelle in unserer Milchstraße. Acht Jahre später entdeckte der US-amerikanische Astronom Tom Bolton, dass diese Röntgenquelle um den Stern HDE 226868, einen sogenannten Blauen Riesen, kreist. Bolton schloss daraus, dass es sich bei Cygnus X-1 – so der Name der unsichtbaren Quelle – um ein schwarzes Loch handeln müsse. Diese Annahme wurde durch spätere Beobachtungen bestätigt. „Cygnus X-1 ist das erste Schwarze Loch, das in unserer Milchstraße entdeckt wurde“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms, Astrophysiker der Universitätssternwarte der FAU.

Die tatsächliche Entfernung des Systems von der Erde konnte bislang nur grob geschätzt werden, ebenso wie die Massen des Schwarzen Lochs und seines Begleitsterns. Wilms hat deshalb ein ambitioniertes Projekt initiiert, zu dem sich ein internationales Team renommierter Astronominnen und Astronomen zusammengeschlossen hat. Die Forschenden nutzten das Very Long Baseline Array, ein Cluster aus zehn in den USA verteilten Radioteleskopen, um eine präzise Paralaxenmessung vorzunehmen. „Die Messung basiert auf dem Prinzip, dass man die Entfernung eines Objektes bestimmen kann, indem man es von zwei verschiedenen Orten aus betrachtet“, sagt Jörn Wilms. „Die unterschiedlichen Beobachtungspositionen ergeben sich in unserem Fall durch die Bewegung der Erde um die Sonne.“

Materieverlust heller Sterne geringer als vermutet
Über einen Zeitraum von sechs Tagen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Projektleiter James Miller-Jones vom International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) das Cygnus-System beobachtet und dabei über 2000 Messwerte aufgezeichnet. Das Ergebnis: Cygnus X-1 ist deutlich weiter von der Erde entfernt als bislang angenommen – etwa 7200 anstatt der zuvor geschätzten 6100 Lichtjahre. „Aus dieser Kalibrierung ergibt sich auch, dass Cygnus deutlich größer sein muss“, erklärt Jörn Wilms. „Wir haben errechnet, dass das Schwarze Loch mehr als 20-mal so massereich wie die Sonne ist“, sagt Jörn Wilms. „Das übertrifft frühere Schätzungen um 50 Prozent.“

Diese Erkenntnis wirft zugleich ein neues Licht auf die Entstehung Schwarzer Löcher überhaupt: Bislang ging die Forschung davon aus, dass helle Sterne bis zur Supernova-Explosion sehr viel Masse an ihre Umgebung verlieren. Wilms: „Durch Sternwinde wird Materie von der Oberfläche quasi weggeblasen. Damit ein Schwarzes Loch jedoch so massiv werden kann wie Cygnus X-1, muss dieser Masseverlust deutlich geringer sein als wir dachten.“

Anhand der aktuellen Messdaten gehen die Forschenden davon aus, dass das Schwarze Loch im Cygnus X-1-System sein Leben als Stern begann, der ungefähr 60-mal so groß wie die Sonne war und vor Zehntausenden von Jahren kollabiert ist. Trotz seiner gigantischen Größe umkreist es in nur fünfeinhalb Tagen seinen Begleitstern HDE 226868, wobei die Umlaufbahn nur ein Fünftel der Entfernung zwischen Erde und Sonne beträgt. Dabei dreht sich Cygnus X-1 unglaublich schnell – sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit und damit schneller als jedes andere bisher gefundene Schwarze Loch. Die extrem starke Röntgenstrahlung entsteht dadurch, dass der Begleitstern einen Teil seiner Masse an das Schwarze Loch verliert und dabei eine Scheibe aus Gas bildet, die sich durch Reibung auf mehrere Millionen Grad erhitzt.

Neues Radioteleskop soll weitere Geheimnisse lüften
„Schwarze Löcher zählen nach wie vor zu den bestgehüteten Geheimnissen des Universums“, sagt Jörn Wilms. „Mit unserem Projekt haben wir einen weiteren Teil dieses Geheimnisses lüften können.“ Im kommenden Jahr soll der Bau des Square Kilometer Array (SKA) in Australien und Südafrika beginnen, das die Empfindlichkeit des aktuell größten Radioteleskops der Welt nochmals übertrifft und das Universum noch detaillierter abbilden kann. Die Astroforschung verspricht sich davon neue Impulse für das Verständnis exotischer und extremer kosmischer Objekte, die uns bislang verborgen bleiben.

Publikation:
„Cygnus X-1 contains a 21–solar mass black hole—Implications for massive star winds”

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• Cygnus X-1

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Ein Beitrag von lorenzzistler. Quelle: ESA.

Der von der ESA eingesetzte Satellit, zur Beobachtung von Gammastrahlen, Integral (beachten Sie auch das Raumfahrer.net-Special zu Integral) ist nun völlig betriebsbereit. Heute wurden die ersten von Integral aufgenommenen bahnbrechende Bilder eines hoch-energetischen Universums vorgestellt.

Astronomen bezeichnen solche Erstbeobachtung „Erst-Licht“ Bilder. Das hoch-energetische Universum ist ein gewaltiger Platz voll von explodierenden Sternen und ihren kollabierenden Überresten, wie die hoch-komprimierten Neutronen Sterne und, die extremsten, alles verschlingende Schwarze Löcher. Diese Himmelsobjekte erzeugen Röntgen- und Gammastrahlen die viele male stärker sind als die optischen Strahlen, die wir mit unseren Augen und optischen Teleskopen wahrnehmen können. Die Wissenschaftler die verantwortlich für die Instrumente an Bord sind erklären die entscheidende Rolle die hoch-Energie Missionen wie Integral in der Astronomie spielen so: Röntgen- und Gammastrahlen Astronomie ist der Wegbereiter zu ungewöhnlichen Objekten.

Im Bereich von optischen Wellenlängen ist die Zahl der Sterne entsetzend groß. Bei Röntgen- und Gammastrahlen Wellenlängen gibt es weniger Objekte, aber die die übrigbleiben sind die wirklich Besonderen.Als ein erster Test beobachtete Integral die Cygnus Region des Himmels, insbesondere das rätselhafte Objekt Cygnus X-1. Seit den 60er Jahren, sind uns diese Objekte bekannt als konstante Erzeuger von hoch-energetischen Strahlen. Die meisten Wissenschaftler glauben das Cygnus X-1 der Platz eines Schwarzen Loches ist, der ungefähr die fünffache Masse unserer Sonne enthält und einen nahen Stern verschlingt.

Das Beobachten von Cygnus X-1, der relativ nah bei unserer eigenen Galaxie liegt – „nur“ 10000 Lichtjahre von uns entfernt – ist ein sehr wichtiger Schritt in Richtung zum Verständnis von Schwarzen Löchern. Dies wird auch helfen das monströse Schwarze Loch – drei Millionen mal die Masse unserer Sonne – im Zentrum unserer Galaxie zu verstehen. Während der ersten Untersuchungen wurden die Wissenschaftler angenehm überrascht als Integral seine ersten Gammastrahlenexplosionen erfasste. Diese außergewöhnlichen himmlischen Explosionen sind unvorhersehbar und treten von zufälligen Richtungen aus ungefähr zwei mal am Tag auf. Ihr genauer Ursprung ist umstritten:

• sie könnten die Resultate von dem Zusammenbruch massiver Sterne in dem entfernten Universum sein

• oder alternativ das Ergebnis des Zusammenstoß´ zweier Neutronen Sterne sein.

Integral verspricht entscheidende Hinweise zur Lösung dieses ungewöhnlichen himmlischen Mysteriums zu liefern. Um diese Eigenheiten zu beobachten trägt Integral zwei mächtige Gammastrahleninstrumente. Es hat eine Kamera, genannt IBIS, und ein Spektrometer, SPI. Spektrometer werden dazu benutzt um die Energie von Gammastrahlen zu empfangen. Gammastrahlenquellen sind oft extrem flexibel und können binnen weniger Minuten oder Sekunden schwanken. Deshalb ist es zwingend notwendig Daten gleichzeitig in verschiedenen Wellenlängen aufzuzeichnen. Um das zu erreichen trägt Integral auch einen Röntgenstrahlen und einen optischen Monitor mit sich (JEM-X und OMC). Alle vier Instrumente werden dieselben Objekte zur selben Zeit beobachten. Auf diese Weise können können sie flüchtige Ereignisse komplett erfassen. Integral sendet alle Daten der Instrumente zum Integral Science Data Centre (ISDC) in der Nähe von Geneva in der Schweiz, wo sie dann aufbereitet werden um sie eventuell der Wissenschaftsgemeinde bereitzustellen.

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