Doppeltes Schwarzes Loch bestätigt Relativitätstheorie
 
Messungen am Quasar OJ 287 – bei dem Astronomen davon ausgehen, dass sich zwei massereiche Schwarze Löcher gegenseitig umkreisen – liefern einen weiteren Beweis für die Korrektheit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Der Quasar OJ 287 ist eine Ausnahme: Seine Lichtkurve ist nicht unregelmäßig wie sonst bei Quasaren üblich, sondern zeigt alle zwölf Jahre zwei große Ausbrüche. Eine mögliche Erklärung für diese Regelmäßigkeit liefert ein Modell, in dem zwei massereiche Schwarze Löcher sich gegenseitig umkreisen. Einem internationalen Forscherteam gelang es nun, dieses Modell durch weitere Beobachtungen zu bestätigen. Die Messungen liefern zugleich einen weiteren Beweis für die Korrektheit der Allgemeinen Relativitätstheorie. 

„Unsere Beobachtungen bestätigen, dass es sich um zwei Schwarze Löcher handelt und zeigen außerdem, dass die Abnahme der Bahnenergie in guter Übereinstimmung mit der Abstrahlung von Gravitationswellen durch das System ist“, schreiben Mauri Valtonen von der Universität Turku in Finnland und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“. „Ohne Gravitationswellen hätte der Ausbruch 20 Tage später auftreten müssen.“ 

OJ 287 ist 3,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. In dem bereits 1988 von Valtonen und anderen entwickelten Modell umläuft ein Schwarzes Loch mit der rund 100-millionenfachen Masse der Sonne das noch einmal erheblich massereichere zentrale Schwarze Loch des Quasars. Die Umlaufbahn des kleineren Schwarzen Lochs ist dabei stark elliptisch und gegen die Rotationsebene des größeren Schwarzen Lochs geneigt. Deshalb durchstößt das kleine Schwarze Loch bei jedem Umlauf zweimal die Akkretionsscheibe aus heißem Gas um das zentrale Schwarze Loch. Diese beiden Kollisionen führen zu den regelmäßigen Strahlungsausbrüchen. 

Abb. (s.o.): Das Modell für den Quasar OJ 287: Ein Schwarzes Loch mit der 100-millionenfachen Masse der Sonne umkreist ein Schwarzes Loch mit 18 Milliarden Sonnenmassen. Auf seinem 12 Jahre dauernden Umlauf durchstößt es zweimal die Akkretionsscheibe um das größere Schwarze Loch und löst dadurch Strahlungsausbrüche aus. (Quelle: Universität Turku / M. Valtonen) 

Beobachtungen der beiden Ausbrüche in den Jahren 1994 und 1995, sowie des ersten Ausbruchs des nächsten Umlaufs im Jahr 2005 führten zu einer weiteren Verfeinerung des Modells und zu der Vorhersage, dass der zweite Ausbruch am 13. September 2007 eintreten sollte. Diese Vorhersage konnte durch über einhundert Messungen, an denen auch Amateurastronomen beteiligt waren, bestätigt werden.

Damit konnten Valtonen und seine Kollegen nicht nur ihr Modell bestätigen, sondern auch die Masse des zentralen Schwarzen Lochs direkt messen: Sie beträgt 18 Milliarden Sonnenmassen. Da die starken Gravitationsfelder der beiden Schwarzen Löcher die Raumzeit-Geometrie in ihrer Umgebung stark beeinflussen, bestätigt das Modell außerdem die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. So beträgt etwa die relativistische Präzession der Umlaufbahn des kleineren Schwarzen Lochs in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen 39 Grad pro Umlauf.

Eine weitere wichtige Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Abstrahlung von Gravitationswellen bei massereichen Doppelsystemen. 1993 erhielten Russell Hulse and Joseph Taylor den Physik-Nobelpreis für ihren indirekten Nachweis von Gravitationswellen durch die Messung der Abnahme der Bahnenergie bei dem Doppelpulsar PSR 1913+16. Valtonen und sein Team konnten dieses Phänomen nun auch bei OJ 287 nachweisen – wo der Effekt, bedingt durch die weitaus größeren Massen, allerdings noch erheblich stärker ist.

„Es handelt sich um die stärkste bekannte Abstrahlung von Gravitationswellen“, so Valtonen, „die Leistung im Gravitationswellenbereich ist vergleichbar mit der Gesamtleuchtkraft des Objekts im elektromagnetischen Spektrum.“ Damit ist OJ 287 nach Ansicht des Forschers ein herausragendes Objekt für den Gravitationswellendetektor LISA, der im kommenden Jahrzehnt im Weltall stationiert werden soll. 

Rainer Kayser

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