Das XRISM-Raumschiff der NASA blickt in das „Auge des Sturms" um ein supermassives schwarzes Loch

Das Unmessbare messen

Zum ersten Mal blickten Astronomen direkt in das sprichwörtliche Auge des Sturms, der ein supermassives schwarzes Loch umwirbelt, und maßen die Geschwindigkeiten und Turbulenzen von überhitztem Gas mit einer Genauigkeit, die zuvor unmöglich war. Die Beobachtungen, veröffentlicht im Januar 2026 in Nature, wurden durch die X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) ermöglicht, ein Gemeinschaftsprojekt der Japan Aerospace Exploration Agency und NASA mit Beteiligung der Europäischen Weltraumorganisation.

Ziel dieser bahnbrechenden Beobachtungen war M87*, das supermassive schwarze Loch im Zentrum der riesigen elliptischen Galaxie Messier 87, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde im Virgo-Cluster befindet. M87* nimmt einen besonderen Platz in der astronomischen Geschichte ein als das erste schwarze Loch, das jemals direkt abgebildet wurde, als das Event Horizon Telescope 2019 seinen ikonischen Schatten einfing. Jetzt hat XRISM eine völlig neue Dimension zu unserem Verständnis dieses kosmischen Giganten hinzugefügt, indem es das dynamische Verhalten des Gases um ihn herum enthüllte.

Wie ein Forscher den Fortschritt beschrieb, war es vor XRISM, als ob Wissenschaftler ein Foto eines Sturms sehen konnten. Jetzt können sie die Geschwindigkeit des Zyklons selbst messen.

Die heftigste jemals beobachtete Turbulenz

Als XRISM in die relativ kompakte Region unmittelbar um M87* vergrößerte, entdeckte es etwas Außergewöhnliches. Die Turbulenz im heißen Gas, das das schwarze Loch umhüllt, ist die heftigste, die jemals in einem Galaxienhaufen aufgezeichnet wurde, übertrifft sogar die extremen Bedingungen, die entstehen, wenn ganze Galaxienhaufen kollidieren und verschmelzen – Ereignisse, die zu den energiereichsten Phänomenen des Universums gehören.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Kosmos und enthalten Hunderte oder Tausende von Galaxien, eingebettet in eine riesige Atmosphäre aus heißem Gas, das als intrakluster-Medium bekannt ist. Dieses Gas erreicht typischerweise Temperaturen von Millionen von Graden, heiß genug, um reichlich Röntgenstrahlung auszustrahlen. Normalerweise tritt die extremste Turbulenz im intrakluster-Medium bei Verschmelzungen auf, wenn zwei Haufen mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde aufeinanderprallen.

Die Tatsache, dass ein einzelnes supermassives schwarzes Loch Turbulenzen erzeugen kann, die selbst diese katastrophalen Ereignisse übersteigen, zeigt die außerordentliche Energiekonzentration in der Region unmittelbar um M87*. Das schwarze Loch rührt seine Umgebung durch eine Kombination aus Jets, Ausflüssen und Akkretion mit einer Wildheit auf, die die heftigsten Phänomene in großem Maßstab im Universum in den Schatten stellt.

Wie XRISM sieht, was andere nicht können

XRISMs revolutionäre Fähigkeit liegt in seinem Resolve-Instrument, einem Mikro-Kalorimeter-Spektrometer, das die Energie einzelner Röntgenphotonen mit außerordentlicher Präzision misst. Wenn heißes Gas sich auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt, wird die Energie der von ihm ausgesandten Röntgenstrahlen durch den Doppler-Effekt verschoben, genau wie sich die Tonhöhe einer Ambulanzensirene ändert, wenn sie sich nähert und entfernt. Durch die extrem genaue Messung dieser Energieverschiebungen kann XRISM die Geschwindigkeit des ausstrahlenden Gases bestimmen.

Frühere Röntgenobservatorien wie Chandra und XMM-Newton konnten das heiße Gas abbilden und seine Temperatur messen, ihnen fehlte aber die spektrale Auflösung, um zwischen ruhendem Gas und Gas zu unterscheiden, das mit Hunderten oder Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegt. XRISMs Resolve-Instrument hat dies grundlegend geändert und verwandelte statische Röntgenbilder in dynamische Karten der Gasbewegung.

Diese Fähigkeit ermöglicht es Forschern, Gasbewegungen, die vom schwarzen Loch angetrieben werden, eindeutig von solchen zu unterscheiden, die von anderen kosmischen Prozessen angetrieben werden, wie z. B. die Bewegung von Galaxien durch das Haufen-Medium, Schallwellen, die sich durch das Gas ausbreiten, oder Turbulenzen, die von vergangenen Verschmelzungsereignissen zurückbleiben. Zum ersten Mal können Wissenschaftler den spezifischen Einfluss des schwarzen Lochs auf seine Umgebung isolieren.

Anatomie eines Schwarzloch-Sturms

Die XRISM-Beobachtungen enthüllten ein markantes Muster in der Geschwindigkeitsstruktur um M87*. Die schnellsten Gasbewegungen konzentrieren sich in unmittelbarer Nähe des schwarzen Lochs und nehmen mit zunehmender Entfernung schnell ab. Dieser Geschwindigkeitsgradient ist mit einer Kombination zweier physikalischer Prozesse vereinbar. Der erste sind turbulente Wirbel – Gasstrudel, die von der Gravitationskraft des schwarzen Lochs und der Wechselwirkung seiner Jets mit dem umgebenden Medium aufgewirbelt werden. Der zweite ist eine Stoßwelle ausströmenden Gases, angetrieben durch die Energie, die freigesetzt wird, wenn Materie ins schwarze Loch fällt.

Supermassive schwarze Löcher wie M87* sind von Akkretionsscheiben umgeben – riesige, abgeflachte Strukturen aus Gas und Staub, die unter gravitativer Anziehung nach innen spiralen. Wenn dieses Material näher spiralt, heizt es sich auf Millionen von Grad auf und setzt enorme Energiemengen frei. Ein Teil dieser Energie wird in relativistische Jets kanalisiert – schmale Plasmastrahlen, die senkrecht zur Akkretionsscheibe mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit gestartet werden. M87* beherbergt einen der spektakulärsten Jets, der sich Tausende von Lichtjahren vom Galaxienzentrum erstreckt.

Diese Jets durchdringen das umgebende Gas nicht einfach ohne Wirkung. Sie blasen riesige Blasen oder Hohlräume im intrakluster-Medium auf, verdrängen große Mengen heißen Gases und treiben Stoßwellen nach außen. Die XRISM-Beobachtungen haben diese Wechselwirkung nun mit beispielloser Detailgenauigkeit quantifiziert und die Geschwindigkeitsstruktur und den Turbulenzenergiegehalt des Gases in verschiedenen Entfernungen vom schwarzen Loch enthüllt.

Auswirkungen auf die Physik der Galaxienhaufen

Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis dafür, wie supermassive schwarze Löcher die Umgebung der Galaxienhaufen regulieren, die sie beherbergen. Dieser Prozess, bekannt als aktive galaktische Kern-Rückkopplung, wird als einer der wichtigsten Mechanismen angesehen, die die Entwicklung massiver Galaxien und Galaxienhaufen steuern.

Ohne Rückkopplung vom Zentralen schwarzen Loch sollte heißes Gas in Galaxienhaufen schnell abkühlen und zu neuen Sternen kondensieren – mit Raten, die die tatsächlich beobachteten Raten weit übersteigen. Die Energie, die das schwarze Loch durch Jets und Ausflüsse einjektet, soll diese Abkühlung verhindern, den Haufen in einem Zustand ungefähren thermischen Gleichgewichts halten. Aber die Details, wie diese Energie vom schwarzen Loch zum umgebenden Gas übertragen wird, waren schlecht verstanden.

XRISMs Geschwindigkeitsmessungen liefern direkten Beweis für den Mechanismus der Energieübertragung. Die Turbulenz, die in der Nähe von M87* gemessen wurde, stellt ein Reservoir kinetischer Energie dar, das sich letztendlich als Wärme verteilt, das umgebende Gas wärmt und die Strahlungsabkühlung ausgleicht. Durch die Quantifizierung der Turbulenzenergien in verschiedenen Entfernungen vom schwarzen Loch beschränken die Beobachtungen theoretische Modelle der Rückkopplung mit einer Strenge, die vorher unmöglich war.

Ein neues Zeitalter der Röntgenastronomie

XRISM startete am 6. September 2023 und begann nach einer sorgfältigen Inbetriebnahmephase 2024 mit regulären Wissenschaftsbeobachtungen. Die M87*-Beobachtungen stellen eines der Showcase-Ergebnisse der Mission dar und zeigen Fähigkeiten, die Astronomen über zwei Jahrzehnte lang erwartet haben. Eine frühere Mission mit ähnlichen Fähigkeiten, Hitomi, ging kurz nach dem Start 2016 aufgrund eines Fehlers in der Raumfahrzeug-Lageregelung verloren, was XRISMs Erfolg umso bedeutsamer macht.

Die Mission soll mindestens drei Jahre lang betrieben werden, mit einem breiten Wissenschaftsprogramm, das supermassive schwarze Löcher, Galaxienhaufen, Supernova-Überreste, Neutronensterne und das kosmische Netz aus diffusem Gas, das Galaxien verbindet, umfasst. Jedes dieser Ziele wird von der gleichen Geschwindigkeitsmessfähigkeit profitieren, die unser Verständnis von M87* umgewandelt hat.

Zukünftige Beobachtungen werden die M87*-Analyse auf andere supermassive schwarze Löcher ausdehnen und ein vergleichendes Bild davon erstellen, wie verschiedene schwarze Löcher mit ihrer Umgebung interagieren. Das letztendliche Ziel ist ein umfassendes Verständnis des Rückkopplungskreislaufs, der die kleinsten Maßstäbe um ein schwarzes Loch mit den größten Strukturen im Universum verbindet – eine Verbindung, die XRISM nun einzigartig untersuchen kann.

Tiefer in den Sturm blicken

Die XRISM-Ergebnisse haben ein neues Fenster auf eine der grundlegendsten Fragen der Astrophysik geöffnet: Wie können supermassive schwarze Löcher, Objekte, die einen verschwindend kleinen Volumen im Raum einnehmen, einen so übergroßen Einfluss auf Strukturen ausüben, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken? Die Antwort scheint in der außerordentlichen Konzentration turbulenter Energie zu liegen, die sie erzeugen – eine Energie, die sich durch das umgebende Gas ausbreitet und die Entwicklung ganzer Galaxienhaufen prägt.

Das Auge des Sturms um M87* erwiesen sich als noch heftiger als erwartet. Mit der Fortsetzung der XRISM-Mission wird sich das Bild klarer, ein Röntgenphoton nach dem anderen.

Dieser Artikel basiert auf Berichterstattung von Space.com. Den Originalartikel lesen.