Durch die Gravitation miteinander verbunden und bestimmt zu verschmelzen, scheinen zwei Kandidaten für Schwarze Löcher in einer entfernten Galaxie in einem komplexen Tanz gefangen zu sein. Mit Daten des Galaxy Evolution Explorer (GALEX) und des Hubble Space Telescope haben Forscher die bislang beste Bestätigung für die Existenz dieser verschmelzenden Schwarzen Löcher erbracht und neue Einzelheiten über ihr seltsames, zyklisches Lichtsignal herausgefunden.
Das Kandidatenduo namens PG 1302-102 wurde Anfang des Jahres mit bodenbasierten Teleskopen entdeckt. Die Schwarzen Löcher sind das bisher engste einander umkreisende Paar – die Entfernung zwischen ihnen ist nicht viel größer als der Durchmesser unseres Sonnensystems. Man geht davon aus, dass sie in weniger als einer Million Jahren miteinander kollidieren und verschmelzen werden und dabei einen gigantischen Ausbruch mit der Energie von 100 Millionen Supernovae auslösen.
Wissenschaftler untersuchen dieses Paar, um besser zu verstehen, wie Galaxien und die riesigen Schwarzen Löcher in ihren Zentren verschmelzen – ein häufiges Ereignis im frühen Universum. Aber so häufig diese Ereignisse auch waren, sie sind schwer zu finden und zu bestätigen.
PG 1302-102 ist einer von nur einer Handvoll guter Kandidaten für Doppelsysteme aus zwei Schwarzen Löchern. Das System wurde Anfang des Jahres von Forschern am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena entdeckt, nachdem sie ein ungewöhnliches Lichtsignal aus dem Zentrum einer Galaxie genau untersuchten. Die Forscher nutzten Teleskope des Catalina Real-Time Transient Survey und demonstrierten, dass das veränderliche Signal wahrscheinlich durch die Bewegung zweier Schwarzer Löcher entsteht, die sich alle fünf Jahre umkreisen. Während die Schwarzen Löcher selbst kein Licht emittieren, tut es aber die Materie in ihrer Umgebung.
In der neuen Studie, die am 17. September 2015 im Journal Nature veröffentlicht wurde, finden die Forscher weitere Belege, die den engen Tanz dieser beiden Schwarzen Löcher unterstützen und bestätigen. Mit Ultraviolettdaten von GALEX und Hubble waren sie in der Lage, die veränderlichen Lichtmuster des Systems im Verlauf der letzten 20 Jahre nachzuvollziehen. „Wir hatten Glück, dass wir die GALEX-Daten sichten konnten“, sagte Co-Autor David Schiminovich von der Columbia University in New York. „Wir gingen die GALEX-Archive durch und stellten fest, dass das Objekt sechsmal beobachtet wurde.“
Hubble sieht neben sichtbaren und anderen Wellenlängen auch ultraviolettes Licht und hatte das Objekt in der Vergangenheit ebenfalls beobachtet. Das ultraviolette Licht war wichtig, um eine Vorhersage darüber zu prüfen, wie die Schwarzen Löcher ein periodisches Lichtmuster erzeugen. Die Theorie ist, dass eines der beiden Schwarzen Löcher in dem Paar mehr Licht emittiert: Es nimmt mehr Materie auf als das andere, und dieser Prozess heizt die Materie auf, welche wiederum energiereiches Licht abstrahlt. Weil dieses Schwarze Loch und sein Partner sich alle fünf Jahre umkreisen, verändert sich das Licht des Systems und scheint heller zu werden, wenn es sich in unsere Richtung bewegt.
„Es ist so, als würde eine 60-Watt-Glühbirne plötzlich so hell wie eine 100-Watt-Glühbirne leuchten“, erklärte Daniel D’Orazio von der Columbia University, der Hauptautor der Studie. „Wenn sich das Schwarze Loch von uns entfernt, erscheint uns sein Licht [analog dazu] wie eine schwächere 20-Watt-Glühbirne.“
Was verursacht diese Veränderungen des Lichts? Ein Teil der Veränderungen hat mit der sogenannten „Blauverschiebung“ zu tun, bei der Licht zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben wird, wenn es sich auf uns zubewegt. In ähnlicher Weise heult die Sirene eines Polizeiautos in höheren Frequenzen, wenn es auf einen zufährt.
Eine andere Ursache steht mit der enormen Geschwindigkeit der Schwarzen Löcher in Zusammenhang. Das hellere Schwarze Loch bewegt sich tatsächlich mit fast sieben Prozent der Lichtgeschwindigkeit, mit anderen Worten: wirklich schnell. Weil es für eine Umkreisung seines Begleiters fünf Jahre braucht, legt es große Distanzen zurück. Es wäre so, als würde ein Schwarzes Loch in nur fünf Jahren unser gesamtes Sonnensystem in dessen Außenbereich umrunden, dort wo sich die Oortsche Wolke befindet. Bei so hohen Geschwindigkeiten wie diesen, sogenannten relativistischen Geschwindigkeiten, wird das Licht heller.
D’Orazio und seine Kollegen simulierten diesen Effekt basierend auf einer früheren Abhandlung am Caltech und sagten voraus, wie er in ultraviolettem Licht aussehen sollte. Sie bestimmten, dass dasselbe periodische Verhalten auch in ultravioletten Wellenlängen vorhanden sein sollte, wenn der periodische Helligkeitsanstieg und -abfall im optischen Licht tatsächlich auf den relativistischen Verstärkungseffekt zurückzuführen ist. Allerdings wäre der Effekt im Ultraviolettbereich 2,5 Mal stärker. Das von GALEX und Hubble registrierte ultraviolette Licht stimmte mit ihren Vorhersagen überein. Wir untermauern unsere Theorien darüber, was in diesem System geschieht und beginnen, es besser zu verstehen“, sagte Zoltan Haiman, ein Co-Autor von der Columbia University, der das Projekt konzipierte.
Die Ergebnisse werden den Forschern auch helfen zu verstehen, wie sie in Zukunft noch engere verschmelzende Schwarze Löcher finden können, was manche als den heiligen Gral der Physik bei der Suche nach Gravitationswellen ansehen. In den letzten Momenten vor der endgültigen Vereinigung zweier Schwarzer Löcher – wenn sie eng umeinander kreisen wie Eiskunstläufer in einer „Todesspirale“ -, sollen sie Kräuselungen in der Raumzeit emittieren. Die Existenz dieser Gravitationswellen folgt aus Albert Einsteins Gravitationstheorie, die vor 100 Jahren veröffentlicht wurde, und sie enthalten Hinweise über das Gefüge unseres Universums. Die Ergebnisse sind auch ein Zugang, um andere verschmelzende Schwarze Löcher im Universum zu verstehen – es ist eine große Population, die gerade erst beginnt, ihre Geheimnisse preiszugeben.
Das California Institute of Technology in Pasadena führte die GALEX-Mission, die im Jahr 2013 nach mehr als einem Jahrzehnt von Himmelsbeobachtungen im Ultraviolettbereich beendet wurde. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, ebenfalls in Pasadena, betrieb die Mission und baute das wissenschaftliche Instrument. Das JPL wird vom Caltech für die NASA betrieben.
Das Hubble Space Telescope ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der European Space Agency (ESA). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) betreibt das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore (Maryland) führt die wissenschaftlichen Operationen Hubbles durch. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington für die NASA unterhalten.
Quelle: http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4719
(THK)
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