Robert Klatt
Ultra-leuchtende Röntgenquellen (ULX) übertreffen die Eddington-Grenze, die die maximale Helligkeit eines Objekts auf Basis seiner Masse beschränkt, deutlich. Verursacht wird dies durch die unglaublich hohe Gravitationskraft, die etwa hundert Billionen Mal stärker als auf der Erde ist.
Pasadena (U.S.A.). Faszinierende Himmelskörper, die als ultra-leuchtende Röntgenquellen (ULX) bekannt sind, erzeugen etwa 10 Millionen Mal mehr Energie als unsere Sonne. Ihre Leuchtkraft ist so beeindruckend, dass sie die Eddington-Grenze, das theoretische Limit, das die maximale Helligkeit eines Objekts auf Basis seiner Masse beschränkt, scheinbar regelmäßig um das 100- bis 500-fache überschreiten. Wieso Ultra-leuchtende Röntgenquellen eine so starke Leuchtkraft haben, konnte die Astronomie bisher nicht erklären.
Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA haben kürzlich im The Astrophysical Journal Details zu einer bisher einzigartigen Messung einer ULX publiziert, die mit Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) durchgeführt wurde. Die Ergebnisse bestätigen, dass diese Lichtausstrahler tatsächlich so hell sind, wie sie scheinen, und dass sie die Eddington-Grenze sprengen.
Eine Hypothese besagt, dass diese grenzüberschreitende Helligkeit auf die starken Magnetfelder der ULX zurückzuführen ist. Allerdings kann diese Idee nur durch Beobachtungen überprüft werden. ULX-Magnetfelder, die bis zu Milliarden Mal stärker sind als die stärksten jemals auf der Erde hergestellten Magnete, können im Labor nicht nachgestellt werden.
Lichtpartikel, auch Photonen genannt, üben einen leichten Druck auf die Objekte aus, auf die sie treffen. Sollte ein kosmisches Objekt wie eine ULX pro Quadratfuß ausreichend Licht abgeben, kann der nach außen gerichtete Druck der Photonen die nach innen gerichtete Anziehungskraft der Schwerkraft des Objekts überwiegen. Trifft dies zu, hat das Objekt die sogenannte Eddington-Grenze erreicht und das Licht des Objekts würde theoretisch jedes Gas oder sonstiges Material, das auf es zufällt, wegstoßen.
Diese Umschaltung, wenn Licht die Schwerkraft dominiert, ist von großer Bedeutung, da das auf eine ULX zufallende Material die Quelle ihrer Helligkeit ist. Dies ist ein Phänomen, das Wissenschaftler häufig bei Schwarzen Löchern beobachten. Wenn deren starke Gravitationskraft umherstreunendes Gas und Staub anzieht, können diese Materialien sich aufheizen und Licht ausstrahlen. Früher vermuteten Forscher, dass ULXs Schwarze Löcher sein müssten, umgeben von hell leuchtenden Gaswolken.
Aber 2014 offenbarten Daten von NuSTAR, dass eine ULX mit dem Namen M82 X-2 tatsächlich ein weniger massereiches Objekt ist, ein sogenannter Neutronenstern. Ähnlich wie Schwarze Löcher entstehen Neutronensterne, wenn ein Stern stirbt und kollabiert, wobei mehr als die Masse unserer Sonne in einem Bereich konzentriert wird, der nicht viel größer ist als eine mittelgroße Stadt.
Die unglaubliche Dichte eines Neutronensterns erzeugt eine Gravitationskraft an seiner Oberfläche, die etwa hundert Billionen Mal stärker ist als die Gravitationskraft an der Erdoberfläche. Gas und andere Materie, die von dieser Gravitationskraft angezogen werden, beschleunigen auf mehrere Millionen Meilen pro Stunde und setzen beim Auftreffen auf die Oberfläche des Neutronensterns enorme Energie frei. Dies erzeugt das hochenergetische Röntgenlicht, welches NuSTAR detektieren kann.
Die jüngste Studie konzentrierte sich auf dieselbe ULX, die im Zentrum der Entdeckung von 2014 stand, und fand heraus, dass M82 X-2, gleichsam wie ein kosmischer Parasit, jährlich etwa neun Milliarden Billionen Tonnen Material von einem benachbarten Stern stiehlt. Das entspricht etwa dem 1,5-fachen der Erdmasse. Indem sie die Menge des auf die Oberfläche des Neutronensterns treffenden Materials kennen, können Wissenschaftler abschätzen, wie hell die ULX sein sollte. Ihre Berechnungen stimmen mit unabhängigen Messungen der Helligkeit überein. Die Arbeit bestätigte, dass M82 X-2 die Eddington-Grenze überschreitet.
Wenn Wissenschaftler die Helligkeit weiterer ULXs bestätigen können, könnten sie eine verbliebene Hypothese widerlegen, die die scheinbare Helligkeit dieser Objekte erklärt, ohne dass ULXs die Eddington-Grenze überschreiten müssen. Diese Hypothese, die auf Beobachtungen anderer kosmischer Objekte beruht, geht davon aus, dass starke Winde einen hohlen Kegel um die Lichtquelle bilden, wobei der Großteil der Emission in eine Richtung konzentriert wird. Wäre dieser Kegel direkt auf die Erde gerichtet, könnte er eine Art optische Täuschung erzeugen, die fälschlicherweise den Anschein erweckt, als würde die ULX die Helligkeitsgrenze überschreiten.
Wenngleich das bei einigen ULXs der Fall ist, unterstützt die neue Studie eine alternative Hypothese, die besagt, dass starke Magnetfelder die annähernd kugelförmigen Atome in längliche, fadenförmige Strukturen verzerren. Dies würde die Fähigkeit der Photonen, Atome wegzustoßen, verringern und letztendlich die maximale mögliche Helligkeit eines Objekts erhöhen.
„Diese Beobachtungen ermöglichen es uns, die Auswirkungen dieser unglaublich starken Magnetfelder zu sehen, die wir mit der aktuellen Technologie auf der Erde nie reproduzieren könnten. Das ist die Schönheit der Astronomie. Indem wir den Himmel beobachten, erweitern wir unsere Fähigkeit, die Funktionsweise des Universums zu erforschen. Auf der anderen Seite können wir nicht wirklich Experimente durchführen, um schnelle Antworten zu erhalten; wir müssen darauf warten, dass das Universum uns seine Geheimnisse offenbart.“
The Astrophysical Journal, doi: 10.3847/1538-4357/ac8d67
