Der ganze Himmel ist von einem diffusen, energiereichen Schein erfüllt: dem kosmischen Röntgenhintergrund. In den letzten Jahren konnten die Astronomen zeigen, dass diese Strahlung fast vollständig mit einzelnen Objekten assoziiert werden kann. In ähnlicher Weise löste Galileo Galilei zu Beginn des 17. Jahrhunderts das Licht der Milchstraße in einzelne Sterne auf. Der Röntgenhintergrund stammt aus Hunderten von Millionen supermassereicher Schwarzer Löcher, die sich von Materie in den Zentren entfernter Galaxiesysteme ernähren. Da die schwarzen Löcher an Masse zunehmen, beobachten wir sie während ihrer Wachstumsphase im Röntgenhintergrund. Im heutigen Universum befinden sich massive Schwarze Löcher in den Zentren praktisch aller nahe gelegenen Galaxien.
Wenn Materie den Abgrund eines Schwarzen Lochs hinunterstürzt, rast sie fast mit Lichtgeschwindigkeit um den kosmischen Strudel herum und wird so stark erwärmt, dass sie ihren „letzten Hilferuf“ in Form von energiereicher Strahlung vor sich abgibt verschwindet für immer. Daher gehören die mutmaßlich unsichtbaren Schwarzen Löcher zu den leuchtendsten Objekten im Universum, wenn sie in den Zentren sogenannter aktiver Galaxien gut gespeist werden. Die chemischen Elemente in der Materie emittieren Röntgenstrahlen einer charakteristischen Wellenlänge und können daher anhand ihres spektralen Fingerabdrucks identifiziert werden. Atome des Elements Eisen sind ein besonders nützliches Diagnosewerkzeug, da dieses Metall im Kosmos am häufigsten vorkommt und bei hohen Temperaturen am intensivsten strahlt.
Ähnlich wie bei den Radarfallen, mit denen die Polizei schnell fahrende Autos identifiziert, können die relativistischen Geschwindigkeiten von Eisenatomen, die das Schwarze Loch umkreisen, durch eine Verschiebung der Wellenlänge ihres Lichts gemessen werden. Durch eine Kombination der von Einsteins spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Effekte wird jedoch ein charakteristisch verbreitertes, asymmetrisches Linienprofil, d. H. Ein verschmierter Fingerabdruck, im Röntgenlicht von Black Holes erwartet. Spezielle Relativitätstheorie postuliert, dass sich bewegende Uhren langsam laufen, und allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Uhren in der Nähe großer Massen langsam laufen. Beide Effekte führen zu einer Verschiebung des von Eisenatomen emittierten Lichts in den längerwelligen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Wenn wir jedoch beobachten, wie die Materie von der Seite in der sogenannten „Akkretionsscheibe“ (Abb. 1) kreist, erscheint das Licht von Atomen, die auf uns zu rasen, auf kürzere Wellenlängen verschoben und viel heller als das von uns entfernte. Diese Relativitätseffekte sind umso stärker, je näher die Materie dem Schwarzen Loch kommt. Aufgrund der gekrümmten Raumzeit sind sie in schnell rotierenden schwarzen Löchern am stärksten. In den letzten Jahren waren in einigen nahe gelegenen Galaxien Messungen relativistischer Eisenlinien möglich - erstmals 1995 mit dem japanischen ASCA-Satelliten.
Jetzt arbeiten die Forscher um G? Nther Hasinger vom Max-Planck-Institut für außerirdische Physik gemeinsam mit der Gruppe der Xavier Barcons am spanischen Instituto de F? Sica de Cantabria in Santander und Andy Fabian am Institut für Astronomie in Cambridge, Großbritannien haben den relativistisch verschmierten Fingerabdruck von Eisenatomen im durchschnittlichen Röntgenlicht von etwa 100 entfernten schwarzen Löchern des Röntgenhintergrunds entdeckt (Abb. 2). Die Astrophysiker nutzten das Röntgenobservatorium XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Sie richteten das Instrument mehr als 500 Stunden lang auf ein Feld in der Big Dipper-Konstellation und entdeckten mehrere hundert schwache Röntgenquellen.
Aufgrund der Ausdehnung des Universums entfernen sich die Galaxien mit zunehmender Geschwindigkeit von uns, und daher erscheinen ihre Spektrallinien alle bei unterschiedlichen Wellenlängen. Die Astronomen mussten zuerst das Röntgenlicht aller Objekte in den Rest der Milchstraße korrigieren. Die notwendigen Entfernungsmessungen für mehr als 100 Objekte wurden mit dem amerikanischen Keck-Teleskop erhalten. Nachdem die Forscher das Licht aller Objekte gemeinsam hinzugefügt hatten, waren sie sehr überrascht über das unerwartet große Signal und die charakteristisch verbreiterte Form der Eisenlinie.
Aus der Stärke des Signals leiteten sie den Anteil der Eisenatome in der akkretierten Materie ab. Überraschenderweise ist der chemische Eisengehalt in der „Ernährung“ dieser relativ jungen Schwarzen Löcher etwa dreimal höher als in unserem Sonnensystem, das wesentlich später erzeugt wurde. Die Zentren von Galaxien im frühen Universum müssen daher eine besonders effiziente Methode zur Herstellung von Eisen gehabt haben, möglicherweise weil eine heftige Sternentstehungsaktivität die chemischen Elemente in aktiven Galaxien ziemlich schnell „züchtet“. Die Breite der Linie zeigte an, dass die Eisenatome ziemlich nahe am Schwarzen Loch strahlen müssen, was mit sich schnell drehenden Schwarzen Löchern übereinstimmt. Diese Schlussfolgerung wird auch indirekt von anderen Gruppen gefunden, die die Energie im Röntgenhintergrund mit der Gesamtmasse der „ruhenden“ schwarzen Löcher in nahe gelegenen Galaxien verglichen haben.
Originalquelle: Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft
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