Mikroskopie mit Schwerkraft

ESO Press release in English: Astronomers Dissect a Supermassive Black Hole with Natural Magnifying Glasses

Astronomen sind findige Wissenschaftler. Mit Hilfe der Schwerkraft und moderner Großteleskope gelang es ihnen, ein Schwarzes Loch am Rande des beobachtbaren Universums genau zu beobachten und theoretische Vorstellungen über die Vorgänge in der Nähe dieser Schwerkraftmonster durch ihre Beobachtungen zu bestätigen. Erkenntnisse und Arbeiten von Wissenschaftlern des Zentrums für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) bilden eine Grundlage für dieses Ergebnis.

Wer hat nicht einmal ein Blatt oder einen Insektenflügel durch eine Lupe oder ein Mikroskop betrachtet. Winzige Details werden auf diese Weise plötzlich sichtbar. So etwas wünschen sich auch Astronomen, um faszinierende kosmische Objekte aus der Nähe zu betrachten und ihre physikalischen Eigenschaften zu verstehen. Deren “Mikroskope” sind gigantische Maschinen wie die Riesenteleskope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Doch auch diese Wunder der Technik geraten an ihre Grenzen, wenn ein Objekt, für das man sich interessiert, rund 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Glücklicherweise stellt die Natur ein Werkzeug zur Verfügung, mit dessen Hilfe selbst in dieser Entfernung noch detaillierte Beobachtungen von einem der faszinierendsten Objekte des Universums möglich sind - einem gigantischen Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie.
Bei diesem Werkzeug handelt es sich um den sogenannten “Gravitationslinseneffekt”. Ähnlich wie bei einer Lupe werden Lichtstrahlen, die von einem Objekt in den Tiefen des Alls ausgehen, durch eine Art Linse umgelenkt und verstärkt. Diese Linse besteht natürlich nicht aus Glas, sondern aus einer Materieansammlung, die sich zwischen der Lichtquelle und dem Beobachter auf der Erde befindet. Die Anziehungskraft dieser Materieansammlung kann auch Lichtstrahlen ablenken und wenn man Glück hat, trifft das abgelenkte Licht genau die Erde.

Als Linse kommen alle Arten von Materieansammlungen in Frage, von Planeten über Sterne und Galaxien bis hin zu Galaxienhaufen, die hunderte oder tauende Galaxien enthalten können. Jede dieser Gravitationslinsen macht sich im Ergebnis unterschiedlich bemerkbar. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die bekannte “Vierfachlinse” in der Galaxie G2237+030. Diese Galaxie befindet sich in einem Abstand von rund einer Milliarde Lichtjahren von der Erde. Genau durch das Zentrum dieser Galaxie leuchtet ein dahinter stehender Quasar. Quasare sind Galaxien, in deren Zentrum sich ein gigantisches, Materie verschlingendes schwarzes Loch befindet. Das schwarze Loch wird von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben. In ihr bewegt sich Materie spiralförmig auf das schwarze Loch zu und wird dabei extrem aufgeheizt. Es entsteht ein kosmisches Leuchtfeuer, dass selbst am Rand des beobachtbaren Universums noch deutlich zu erkennen ist.
Der uns punktförmig erscheinende Quasar wird durch die Schwerkraftwirkung der gesamten “Linsengalaxie” in vier Bilder aufgespaltet und verstärkt. Es trägt daher den Namen “Einstein-Kreuz” zu Ehren Albert Einsteins, der den Gravitationslinseneffekt im Rahmen seiner Relativitätstheorie vorhergesagt hatte.

Eine ganze Galaxie wirkt wie ein riesiges “Brennglas” und vergrößert den gesamten hinter ihr liegenden Quasar. Die Sterne in ihrem Zentrum wirken wie winzig kleine Linsen und vergrößern bzw. verstärken nur einen kleinen Ausschnitt des Hintergrundobjekts. Diesen Effekt nennt man “Mikrolinseneffekt”. Bewegt sich ein solcher Stern entlang einer Linie vor der Akkretionsscheibe des Quasars vorbei, so läßt sich das mit einem Detektiv vergleichen, der mit seinem Lupenglas den Boden absucht, um eine ganz bestimmte Spur zu finden.
Genau diesen “Mikrolinseneffekt” hat nun ein Team von Astronomen aus Europa und den USA genutzt, um die Akkretionsscheibe des Quasars zu untersuchen, dessen Licht das “Einstein-Kreuz” bildet (siehe Eigenbrod, A., Courbin, F., Meylan, G., Agol, E., Anguita, T., Schmidt, R. W. & Wambsganss, J. 2008, Microlensing variability in the gravitationally lensed quasar QSO 2237+0305 = the Einstein Cross. II. Energy profile of the accretion disk, Astronomy & Astrophysics, 490, 933 bzw. ESO Pressemitteilung oder ESO-Animation zum Quasar Microlensing) . Das Heidelberger Team um Joachim Wambsganß arbeitet schon seit vielen Jahren an diesem Thema und hat die theoretischen Grundlagen für derartige Untersuchungen geschaffen. Robert Schmidt, Timo Anguita und Dominique Sluse unterstützten dabei die Schweizer Astronomen unter Leitung von Alex Eigenbrod, um die erste “Temperaturmessung” quer durch die Akkretionsscheibe eines schwarzen Lochs zu erstellen.
Genau wie ein Stück Eisen beim Erhitzen zunächst rotglühend wird und bei weiter steigender Temperatur weißlich-bläulich glüht, würden uns die Randbereiche einer solchen Akkretionsscheibe beim Blick durch die Lupe rötlich erscheinen. Je näher man an das Zentrum kommt, desto mehr wird die Materie aufgeheizt und uns daher weiß glühend erscheinen. Wie sich diese Temperatur vom Zentrum zum Rand der Scheibe ändert, war bisher nur theoretisch vorhergesagt. Die neuen Beobachtungen liefern nun direkte Evidenz, dass diese Vorhersagen stimmen und bestätigen daher unsere bisherigen Vorstellungen der Eigenschaften schwarzer Löcher und deren Bedeutung für die Galaxienentwicklung.

Eigenbrod und seine Kollegen beobachteten das Einstein-Kreuz drei Jahre lang etwa dreimal pro Monat vom blauen bis in den roten Spektralbereich. Hierdurch konnten Änderungen der Helligkeit und “Farben” der vier Quasarbilder mit ausreichender Häufigkeit und Genauigkeit gemessen werden. Ergebnis war der Befund, dass sich - wie vorausgesagt - die Helligkeit der Quasarbilder ständig änderte und diese Änderung im blauen Spektralbereich am stärksten ausgeprägt war. Beides sind deutliche Auswirkungen des Mikrolinsen-Effekts, verursacht durch Sterne, die quer zur Sichtlinie “über” die Akkretionsscheibe des Quasars wandern und so die verschiedenen Temperaturzonen mit höchster räumlicher Auflösung quasi abscannen.
Aus diesen Variationen konnte man dann die Temperaturverteilung ableiten. Tatsächlich deckt sich das Ergebnis mit theoretischen Vorhersagen über den Aufbau und die Struktur von Akkretionsscheiben in der Umgebung schwarzer Löcher. Unser Bild dieser exotischen Objekte hat damit eine wichtige Bestätigung erhalten.
Zukünftig werden immer größere Teleskope und noch genauere Meßverfahren diese Ergebnisse präzisieren und sicher noch manche Überraschung bereit halten. Das ZAH wird hier wesentlich beteiligt sein. Es bleibt spannend.

Bearbeiter: D. Möricke