Quelle: FAU.

Doppelsterne sind Astrophysikerinnen und -physikern gut bekannt. Einer gab ihnen jedoch Rätsel auf: Warum fehlte ein Teil der Röntgenstrahlung, die die Doppelsternsysteme aussenden? Und warum hatte der andere Teil überraschende Eigenschaften? Ein Forschungsteam unter Federführung der FAU hat sich mit diesen Fragen beschäftigt und ein Doppelsternsystem mithilfe von Röntgensatelliten beobachtet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Doppelsterne sind im Weltraum nichts Ungewöhnliches. Selbst wenn der eine Partner wie bei IGR J16318-4848 in einem der Spiralarme unsere Galaxie aus einem Neutronenstern und damit aus dem superkompakten Rest einer Sternen-Leiche besteht. Dessen Gegenüber wirkt ebenfalls exotisch, weil es sich um einen Überriesen-Stern handelt, der ein Vielfaches der Masse unserer Sonne hat. Obendrein entpuppt sich dieses Monster als eine Art „kosmische Dreckschleuder“, die jede Menge Eisen in den Weltraum bläst. „Meist erreicht uns von solchen Systemen ein breites Spektrum aus weicher und harter Röntgenstrahlung“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg. Dieses System aber gab Astrophysikerinnen und Astrophysikern eine harte Nuss zu knacken, weil nicht nur der gesamte weiche Teil der Strahlung fehlt, sondern obendrein das harte Röntgenlicht auch noch sehr überraschende Eigenschaften hat. Lösen konnten Jörn Wilms, sein Doktorand Ralf Ballhausen und ein Forschungsteam in Deutschland, den Niederlanden, Spanien und den USA dieses Problem erst mit Hilfe gleich zweier Röntgen-Satelliten und Computer-Modellen, mit denen sie die Vorgänge um dieses bizarr anmutende System aus zwei Sternen simulierten.

Der Überriese, der Winzling und das Rätsel
In diesem Sternen-Paar bläst der Überriese, dessen wahre Größe noch gar nicht genau bestimmt werden konnte, kontinuierlich einen Teil seiner eigenen Masse als Sternenwind in den Weltraum. Dort aber kreist wahrscheinlich bereits ein Neutronenstern, der einst entstand, als ein Stern, der mindestens die achtfache Masse unserer Sonne hatte, am Ende seines Lebens zu einem extrem kompakten Gebilde zusammenstürzte. Dort sind die Atomkerne extrem dicht nebeneinander gepackt. Ein Teelöffel davon wäre ähnlich schwer wie ein Eisenwürfel mit 700 Meter langen Kanten. „Obwohl er die 1,4-fache Masse unserer Sonne hat, ist ein solcher Neutronenstern mit einem Durchmesser von zehn Kilometern im Vergleich mit den 700.000 Kilometern unserer Sonne nur ein Winzling“, erklärt Jörn Wilms. Fällt die vom Überriesen-Partner ausgestoßene Materie auf diesen super-massiven Winzling, entsteht Röntgenstrahlung. „Nur fehlt bei diesem Doppelstern-System nicht nur die gesamte weiche Röntgenstrahlung, sondern besteht auch der harte Teil fast ausschließlich aus einer extrem hellen Emissionslinie, die aus Eisen stammt“, staunt FAU-Forscher Jörn Wilms.

Diese Röntgen-Fluoreszenz entsteht, wenn das Röntgenlicht vom Neutronenstern aus Eisen-Atomen Elektronen herausschlägt, die aus der nächsten Nähe des Atomkerns stammen. Die so entstandene Lücke wird rasch von einem Elektron aus etwas größerer Entfernung zum Kern geschlossen. Dabei wird genau die Strahlung frei, von der Röntgensatelliten riesige Mengen messen. „Daraus schließen wir, dass dort große Mengen Eisen vorhanden sind“, folgert FAU-Forscher Ralf Ballhausen.

Nur ist der Neutronenstern sehr heiß und sollte dieses Eisen kräftig aufheizen. Dadurch verlieren die Atome leicht Elektronen, die relativ weit vom Atomkern entfernt sind und die daher ohnehin nicht allzu fest gebunden sind. Dabei werden die Atome zu Ionen. Dieser Verlust verändert auch die Elektronen-Struktur in nächster Nähe zum Atomkern und gleichzeitig auch die Röntgen-Fluoreszenz ein klein wenig. „Als 2016 der japanische Satellit Hitomi das System vermaß, fanden sich solche Veränderungen aber kaum“, berichtet Jörn Wilms. Anscheinend gibt es dort also kaum die erwarteten Eisen-Ionen, sondern wohl vor allem Eisen-Atome. Wieso aber werden diese von der starken Röntgenstrahlung nicht aufgeheizt und in Ionen verwandelt? Die Forscherinnen und Forscher standen vor einem großen Rätsel.

Die Lösung? Fester Staub!
Die Lösung fand das Team um die FAU-Forscher Jörn Wilms und Ralf Ballhausen, als es das System gleichzeitig mit zwei Röntgen-Satelliten beobachtete: Das NuSTAR Röntgenteleskop der US-Weltraumorganisation NASA und der 3,8-Tonnen-Gigant XMM-Newton, den die europäische Weltraumorganisation ESA bereits 1999 in den Weltraum gehievt hat, zeigen gemeinsam das gesamte Spektrum der Röntgenstrahlung in sehr hoher Qualität. Aber noch immer lieferten die Modellrechnungen mit diesen Ergebnissen eine andere Röntgen-Strahlung als die aus dem System gemessene. Erst als die Forscherinnen und Forscher in ihren Modellen das bisher als Gas angenommene Eisen durch einen festen Staub ersetzten, stimmten die vom Computer ausgespuckten Werte endlich mit der Realität im Weltraum überein.

Damit aber hatte das Team auch das Geheimnis um die seltsame Röntgenstrahlung gelöst: „Der Überriese ist zwar tatsächlich eine Dreckschleuder, die sehr viel Eisen in den Weltraum bläst“, erklärt Ralf Ballhausen. „Nur verklumpt dieses Gas rasch und bildet so festen Staub.“ Dieser könnte vielleicht aus Olivin und damit einem Mineral aus Eisen und Nickel bestehen, das nicht nur im Erdmantel, sondern auch in Meteoriten und sehr wahrscheinlich auch überall sonst im Weltraum reichlich vorkommt. Dieser Olivin-Staub sammelt sich in großen Mengen an und hüllt das Paar aus Neutronenstern und Überriesen in eine dichte Staubschicht. In den inneren Bereichen kann die Röntgenstrahlung vom Neutronenstern dieses Eisen zwar kräftig aufheizen. Von der Erde aus aber beobachten die Röntgensatelliten nur die äußersten Schichten der Staubhülle. Und dort bleibt das Olivin kalt.

Inzwischen nehmen Jörn Wilms, Ralf Ballhaus und ihr Team bereits andere Doppelstern-Systeme unter die Lupe, die ebenfalls die Röntgenstrahlen aus ihrem Inneren großenteils zu verschlucken scheinen. Vielleicht ähneln die Verhältnisse dort ja auch dem Neutronenstern und seinem Überriesen und dicke, kalte Staubhüllen sind nichts Ungewöhnliches im Weltraum?

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: weltderphysik.de, Spiegel online.

Das Forscherteam beobachtete die Galaxie und darin insbesondere die Röntgenquelle X-2. Sie gehört zu einer Klasse von Objekten, die von den Astronomen als ULX-Objekte bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um sehr starke, punktförmige Röntgenquellen. Bisher hielt man diese Quellen für Schwarze Löcher mittlerer Größe, deren Röntgenstrahlung aus dem Einfall von Materie resultiert.

Doch die Forscher fanden nun bei X-2 heraus, dass dessen Strahlung pulsiert – was bei Schwarzen Löchern bisher nicht beobachtet worden ist, wohl aber bei einer anderen Klassen von stellaren Objekten, nämlich Neutronensternen. Neutronensterne sind die Überbleibsel von Sternen, die am Ende ihrer Entwicklung soweit kontrahieren, dass von ihnen nur noch Bälle mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometern übrig bleiben – aber mit der Masse eines Sterns. Dem entsprechend ist die Materie in solchen Himmelskörpern extrem dicht gepackt. Ein Teelöffel Materie eines Neutronensterns würde auf der Erde mehrere Milliarden Tonnen wiegen. Neutronensterne senden aufgrund ihrer Rotation gebündelte Strahlen ins Weltall, die dann auf der Erde empfangen werden können, wenn sie in Richtung der Strahlen liegt. Sie werden dann als regelmäßige Pulse wahrgenommen, deren Häufigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns abhängt. Solche Objekte nennt man Pulsare. Und um einen solchen Pulsar soll es sich gemäß der Untersuchungen von Matteo Bachetti (Universität von Toulouse) und seinen internationalen Kollegen handeln.

Bachetti und Kollegen schließen aus der Art der festgestellten Pulsation, dass es sich um ein Doppelsternsystem handelt, bei dem Materie vom zweiten Stern auf den Neutronenstern überfließt und so die Röntgenstrahlung hervorruft. Das Problem ist nun, dass die gemessene Strahlungsleistung viel zu hoch für die bisherigen Theorien ist. Man hatte es bisher nicht für möglich gehalten, dass so viel Materie auf einen Neutronenstern einfallen kann.

Die Galaxie M 82 strahlt in einer Entfernung von etwa 11,5 Millionen Lichtjahren und ist von der Erde aus im Sternbild Großer Bär zu finden. Lange galt sie als irreguläre Galaxie, neuere Untersuchungen legen allerdings Spiralarme nahe, so das sie heute eher dem Typ der Balkenspiralen zugeordnet wird. Anfang 2014 erstrahlte in der Galaxie eine Supernova, die weltweit auch von Hobbyastronomen beobachtet werden konnte.

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Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: NASA, JPL, Max-Planck-Institut für Astrophysik, Raumcon.

Das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) ist ein gut zehn Meter langes Weltraumteleskop, das mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten den Spektralbereich der energiereichen Röntgenstrahlung beobachtet. Seine ungewöhnliche Größe, bei einer Masse von nur rund 350 Kilogramm, wird bedingt durch den speziellen Aufbau: Nach dem Start war NuSTAR in der Lage, seine Brennweite durch das Ausfahren eines leichtgewichtigen Teleskop-Gestänges erheblich zur vergrößern. Diese Bauart liegt begründet in den Reflexionseigenschaften der Röntgenstrahlung, welche sich wegen ihrer großen Intensität nur unter sehr flachen Einfallwinkeln spiegeln lässt. Dies trifft für NuSTAR in noch stärkerem Maße zu als auf verwandte Teleskope, etwa XMM-Newton, da es mit relativ hohen Photonenenergien bis immerhin 80 keV arbeitet.

Besondere Aufgabe des Satelliten war in den letzten Monaten das Aufspüren und Messen von Röntgenemissionen, die von supermassiven Schwarzen Löchern ausgehen. Insgesamt zehn dieser unvorstellbar schweren Himmelskörper hat NuSTAR bisher im Details ins Visier genommen. Ihnen sollen Weitere in dreistelliger Anzahl folgen. Besonders massereiche, und für diese Mission interessante, Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum vieler bekannter Galaxien. Durch Kombination mit den Beobachtungen von XMM-Newton und anderen Teleskopen im niederenergetischen Röntgenbereich, waren Forscher nun leichter als bisher in der Lage diese kosmischen Objekte ausfindig zu machen und ihre Eigenschaften einzuschätzen.

Unter anderem konnte der sogenannte kosmische Röntgenhintergrund mit der besonders massereichen Spezies Schwarzer Löchern in Verbindung gebracht werden. Obwohl die diffuse Hintergrundstrahlung im Röntgenbereich bereits vor über einem halben Jahrhundert mit den damaligen astronomischen Mitteln auffindbar war, entwickelte sich erst in den letzten Jahrzehnten das Wissen über ihre Ursprünge weiter. NuSTARs Messungen deuten nun an: Neben bestimmten (Doppel-)Sternen, Neutronensternen und kosmischen Staubwolken kommen besonders auch supermassive Schwarze Löcher als Quellen der Emissionen in Frage. Klar schien bisher schon, dass die Strahlung offenbar hauptsächlich von galaktischen Kernregionen ausgeht und der diffuse Charakter ihrer Verteilung Folge der Überlagerung vieler Emissionsquellen ist.

NuSTAR hat gegenwärtig schon gut ein Drittel seiner im Juni 2012 begonnenen, nominellen Dienstzeit im All absolviert. Erfahrungsgemäß sind jedoch erhebliche Verlängerungen des Betriebs, über die traditionell vorsichtig gesteckten Ziele für den minimalen Missionserfolg hinaus, möglich und auch wahrscheinlich. XMM-Newton etwa, mittlerweile seit fast 14 Jahren im Orbit und schon lange in sogenannter „extended mission“, wird womöglich noch bis ins kommende Jahrzehnt weiter betrieben werden können.

Das Nuclear Spectroscopic Telescope Array ist, nach dem Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS), der erst vor gut zwei Monaten gestartet wurde, der jüngste Spross des Small Explorer Programms (SMEX) der NASA. Es wurde ebenfalls mit dem Pegasus XL-Träger in einen niedrigen, äquatornahen Erdorbit von 550 Kilometer Höhe gebracht und ist damit bereits die elfte SMEX-Mission seit dem Erststart eines Forschungssatelliten 1992.

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Quelle: ESA.

NuSTAR, ein Weltraumteleskop der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) und XMM-Newton, ein Weltraumteleskop der Europäischen Raumfahrtorganisation (ESA) beobachteten im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365 ein schnell rotierendes supermassives schwarzes Loch, das neue Erkenntnisse über die Art und Weise, wie Galaxien wachsen, ermöglichen soll.

Die Geschwindigkeit, mit der das schwarze Loch rotiert, ist eng verknüpft mit der Entstehungsgeschichte des Objekts. Ein schwarzes Loch, das aus seiner Umgebung fortgesetzt einen ununterbrochenen Materiestrom aus einer Ebene aufnehmen kann, wird sich schließlich sehr schnell drehen. Ein sich sehr schnell drehendes Objekt kann allerdings auch Folge der Vereinigung zweier kleinerer schwarzen Löcher sein.

Ein schwarzes Loch, das sich nur unregelmäßig aus unterschiedlichsten Richtungen mit Material versorgen kann, wird keine große Rotationsgeschwindigkeit aufbauen.

Die beiden unterschiedlichen Szenarien sind Spiegel der Entstehungsgeschichte der ein solches schwarzes Loch umgebenden Galaxie, da ein Teil des in der Galaxie verteilten Materials immer den Weg zum schwarzen Loch findet. Auf Grund dieses Zusammenhangs ist es ein besonders Anliegen von Astronomen, Daten zur Rotationsgeschwindigkeit eines schwarzen Loches zu gewinnen.

Eine Methode zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit eines schwarzen Loches ist die Beobachtung der Röntgenstrahlung, die aus der Region des sogenannten Ereignishorizonts stammt. Das ist der Grenzbereich um das schwarze Loch, aus dem nicht einmal mehr Licht entkommen kann.

Eisenatome produzieren bei ausreichender Beschleunigung eine starke Signatur von Röntgenstrahlung in einem spezifischen Bereich. Aus der von Eisenatomen beim Sturz in ein schwarzes Loch rotationsbedingt abgestrahlten Röntgenstrahlung lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit eines schwarzen Loches ableiten.

Unter Zuhilfenahme dieser Methode konnte man bereits in der Vergangenheit darauf schließen, dass es im Zentrum einer Anzahl von Galaxien sich extrem schnell um sich selbst drehende schwarze Löcher geben könnte. Als Eindeutig konnte man den Schluss jedoch nicht betrachten, da auch Gaswolken, die aus der Nähe der Akkretionsscheibe eines schwarzen Loches absorbiert werden, entsprechende Röntgenstrahlenspektren erzeugen können. Bis dato war es nicht möglich, zu entscheiden, was nun tatsächlich die Quelle der Röntgenstrahlung ist.

Im Juli 2012 waren NuSTAR und XMM-Newton in gemeinsamem Einsatz als „Nuclear Spectroscopic Telescope Array“ 36 Stunden lang gleichzeitig auf die Spiralgalaxie NGC 1365 ausgerichtet. Dabei empfing XMM-Newton Röntgenstrahlung geringerer Energie, NuSTAR solche höherer Energie.

Das Verhältnis der Anteile von Röntgenstrahlung geringerer und höherer Energie ist ein ganz bestimmtes, wenn sie von einem sich sehr schnell drehenden schwarzen Loch stammen sollte. Käme die Röntgenstrahlung von Gaswolken, die absorbiert werden, wäre das Verhältnis ein anderes.

Genau deswegen machte die gemeinsame Beobachtung beider Weltraumteleskope es möglich, eine der hypothetischen Quellen der Röntgenstrahlung auszuschließen. Die jetzt vorliegenden Daten sprechen klar dafür, das die Röntgenstrahlung von NGC 1365 ihre Ursache in der schnellen Rotation des schwarzen Lochs im Zentrum hat. Das ist außerdem ein Hinweis darauf, dass die Galaxie NGC 1365 lange gleichmäßig gewachsen ist, und Material von ihr über lange Zeiten in einem ununterbrochenen Materiestrom in das schwarze Loch gelangte.

Die mögliche Verschmelzung zweier kleinere schwarzer Löcher als Ursache für die Existenz eines sehr großen, schnell rotierenden schwarzen Lochs kann die kombinierte Beobachtungstechnik allerdings nicht ausschließen. Für die Absicherung von Erkenntnissen hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit eines schwarzen Loches und der sich daraus ergebenden Erkenntnisse hinsichtlich der Wirtsgalaxie ist sie aber ein großer Fortschritt.

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