DAS SCHWARZE LOCH, DAS SEIN EIGENES LICHT VERSCHLUCKT

Der Ereignishorizont macht ein Schwarzes Loch zu einem Schwarzen Loch: eine Grenze, hinter der nichts, nicht einmal Licht, zurückkehren kann. Per Definition sendet er uns kein Signal. Das Event Horizon Telescope hat die Schatten der riesigen Schwarzen Löcher in der Galaxie M87 und von Sagittarius A* abgebildet – ein indirekter Hinweis auf einen Horizont. Doch der Horizont eines aus einem Stern entstandenen Schwarzen Lochs misst nur einige zehn Kilometer, viel zu wenig für ein Bild.

Das Argument des lichtschwachen Begleiters

Astronomen haben einen weiteren Anhaltspunkt. In Paaren, in denen ein toter Stern Gas von einem Begleiter abzieht, sind ruhende Systeme mit Schwarzem Loch meist etwa hundertmal lichtschwächer als Neutronensternsysteme mit ähnlichen Bahnen. Die Erklärung: Einfallendes Gas trifft auf die Oberfläche eines Neutronensterns und glüht, während ein Schwarzes Loch die Energie verschluckt.

Die Schwachstelle ist eine Annahme. Das Argument setzt voraus, dass ähnliche Bahnen ähnliche Fressraten bedeuten. Bei Bahnen von mehr als 80 Minuten kann der Begleiter ein Brauner Zwerg, ein gewöhnlicher Stern oder ein Riese sein, und mehrere Effekte können den Gasfluss antreiben. Die tatsächliche Fressrate ist unbekannt.

Paare, die sich in Minuten umkreisen

Qian-Qi Ma, Wei-Min Gu und Mouyuan Sun von der Universität Xiamen wandten sich gemeinsam mit Shan-Shan Weng von der Pädagogischen Universität Nanjing den ultrakompakten Röntgendoppelsternen zu. Dauert ein Umlauf weniger als 40 Minuten, sind die beiden Körper so nah beieinander, dass der Begleiter nur ein Weißer Zwerg sein kann. Und die Bahn schrumpft vor allem durch die Abstrahlung von Gravitationswellen.

Das macht diese Systeme zu sauberen Laboren. Die Fressrate hängt dann nur noch von der Gravitationstheorie ab und davon, wie die Größe eines Weißen Zwergs mit seiner Masse zusammenhängt. Sie lässt sich allein aus der Umlaufzeit berechnen, mit einigen angenommenen Massen: 1,4 bis 2 Sonnenmassen für einen Neutronenstern, 3 bis 20 für ein Schwarzes Loch.

Das Team wählte fünf solcher Systeme aus, alle in Kugelsternhaufen, dichten Ballungen alter Sterne, deren Entfernungen auf 2 % genau bekannt sind:

vier enthalten einen Neutronenstern, erkennbar an seinen thermonuklearen Röntgenausbrüchen;
eines, 47 Tuc X-9, enthält ein Schwarzes Loch, erkannt daran, wie seine Radio- und Röntgenstrahlung gemeinsam schwanken. Sein Umlauf dauert etwa 28 Minuten.

Anschließend verglichen die Forschenden die mittlere Röntgenleistung jedes Systems, gemessen von Chandra, Swift und anderen Observatorien, mit seiner berechneten Fressrate.

Tausendmal dunkler

Das Ergebnis ist die Strahlungseffizienz: der Anteil der Energie der einfallenden Masse, der als Röntgenstrahlung herauskommt.

Bei allen vier Neutronensternen liegt sie über 5 %.
Beim Schwarzen Loch liegt sie unter 0,03 %.

Der Abstand beträgt zwei bis drei Größenordnungen. Das auffälligste Paar: Das Neutronensternsystem M15 X-2 und das Schwarze Loch 47 Tuc X-9 werden ähnlich schnell gefüttert, mit etwa 10¹⁶ Gramm pro Sekunde, doch 47 Tuc X-9 ist tausendmal lichtschwächer. Selbst wenn man Unsicherheiten bis zu einem Faktor zehn in der Helligkeit mancher Quellen zulässt, bleiben die beiden Gruppen getrennt.

Wohin die Energie geht

Die Autoren erklären das mit dem, was am Grund liegt. Ein Neutronenstern hat eine harte Oberfläche: Selbst wenn das heiße einströmende Gas unterwegs nur schwach strahlt, wird seine Energie schließlich auf dieser Oberfläche abgegeben und wieder abgestrahlt. Ein Schwarzes Loch hat keine Oberfläche. Bei niedrigen Fressraten wird ein Großteil der Energie des Gases als Wärme nach innen getragen – und verschwindet hinter dem Horizont.

Für die Autoren ist das ein starker Beleg für den Horizont eines stellaren Schwarzen Lochs, wenn auch ein indirekter, wie es ihre eigene Zusammenfassung formuliert. Er stützt sich auf ein einziges Schwarzes Loch. Sie machen eine überprüfbare Vorhersage: Jeder neue Neutronenstern, der in einem so engen Paar gefunden wird, sollte in der hellen Gruppe landen, und jedes Schwarze Loch mit ähnlicher Bahn sollte so lichtschwach sein wie 47 Tuc X-9.

Eine Lehre für riesige Schwarze Löcher

Die Studie enthält eine weiterreichende Warnung. Bei Schwarzen Löchern ist die Helligkeit ein schlechtes Maß dafür, wie viel sie fressen. Ein Schwarzes Loch kann wachsen und dabei lichtschwach bleiben. Laut den Autoren könnten Durchmusterungen, die das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher aus ihrem Licht ableiten, einen Teil dieses Wachstums übersehen.