Pulsare verraten Schwarzes Loch mittlerer Masse

Im Zentrum des Kugelsternhaufens 47 Tucanae verbirgt sich ein Schwarzes Loch mit der 2200-fachen Masse unserer Sonne. Das zeigt eine genaue Untersuchung der Bewegung von Pulsaren in dem Kugelsternhaufen durch ein Astronomenteam aus den USA und Australien. Es handele sich um den bislang besten Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern mittlerer Masse, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Schwarze Löcher mittlerer Masse können uns dabei helfen, die Entwicklung von stellaren Schwarzen Löchern zu supermassereichen Schwarzen Löchern zu verstehen“, schreiben Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge und seine Kollegen. „Doch leider war ihre Existenz bislang fraglich.“ Wenn sehr massereiche Sterne am Ende ihrer Entwicklung als Supernova explodieren, stürzt ihr Kernbereich zu einem stellaren Schwarzen Loch mit einigen Sonnenmassen zusammen. Wie aber könnten sich im jungen Kosmos aus solchen stellaren Schwarzen Löchern die Schwarzen Löcher mit der millionen- oder gar milliardenfachen Sonnenmasse in den Zentren von Galaxien gebildet haben?

Schwarze Löcher mit mehreren Hundert oder Tausend Sonnenmassen könnten die Antwort auf diese Frage sein. Doch alle Versuche, solche Schwarzen Löcher mittlerer Masse nachzuweisen, sind bislang gescheitert. Immer wieder haben Astronomen versucht, aus der Bewegung der Sterne in Kugelsternhaufen – dichten Ansammlungen von mehreren Hunderttausend Sternen – auf mittlere Schwarze Löcher in deren Zentren zu schließen. Doch die Untersuchungen lieferten stets nur eine obere Grenze für die Masse eines solchen Schwarzen Lochs. Mit anderen Worten: Die Bewegung der Sterne ließ sich auch ohne ein zusätzliches Schwarzes Loch erklären.

Loeb und seine Kollegen gingen jetzt einen anderen Weg. Sie untersuchten die Bewegung von schnell rotierenden Neutronensternen, sogenannten Pulsaren, im 17 000 Lichtjahre entfernten Kugelsternhaufen 47 Tucanae. Die Eigendrehung dieser Objekte ist so präzise, dass die Forscher über den Dopplereffekt die genaue Beschleunigung der Pulsare im Schwerefeld des Kugelsternhaufens messen können. Die Verteilung dieser Beschleunigungen hängt Computermodellen zufolge stark von der Masse eines zentralen Schwarzen Lochs ab. Ein Vergleich der numerischen Modelle mit den Beobachtungen lieferte die beste Übereinstimmung für ein Schwarzes Loch mit 2200 Sonnenmassen.

Überraschend für die Forscher ist, dass von diesem Schwarzen Loch weder Radio- noch Röntgenstrahlung ausgeht. „Im Gegensatz zu unseren Erwartungen enthält die Zentralregion des Kugelsternhaufens also offenbar wenig Gas“, so Loeb und seine Kollegen. Denn wenn Gas in ein Schwarzes Loch hineinfiele, würde es sich aufheizen und Strahlung aussenden. Dies könnte auch erklären, warum die Suche nach der typischen Strahlung Schwarzer Löcher aus den Zentralregionen von Kugelsternhaufen bislang erfolglos war. Und wenn Schwarze Löcher mittlerer Masse typisch für dichte Sternenansammlungen sind, könnten bei der Entstehung von Galaxien im jungen Kosmos relativ rasch supermassereiche Schwarze Löcher aus der Verschmelzung dieser Objekte entstanden sein, so die Forscher.