„Ultraleuchtkräftige Röntgenquelle“ – Himmelsobjekt bricht Gesetz irdischer Physik

In unserem Universum gibt es exotische Objekte, „ultraleuchtkräftige Röntgenquellen“ genannt, die etwa 10 Millionen Mal mehr Energie erzeugen als die Sonne. Sie sind sogar so strahlend, dass sie ein physikalisches Gesetz brechen – die sogenannte Eddington-Grenze. Diese besagt bislang, dass die Helligkeit eines Objekts von seiner Masse abhängt und damit begrenzt sei. Ultraleuchtkräftige Röntgenquellen (ULXs) überschreiten diese Grenze jedoch regelmäßig um das 100- bis 500-fache und geben Wissenschaftlern Rätsel auf.

Wenn das Licht die Schwerkraft überwältigt

In einer kürzlich veröffentlichten Studie berichten Forscher über die erstmalige Messung eines ULX mithilfe des NASA-Teleskops NuSTAR. Darin bestätigen die Forscher, dass die kosmischen Objekte tatsächlich so hell sind, wie sie scheinen – und damit tatsächlich die Eddington-Grenze durchbrechen.

Eine Hypothese besagt bislang, dass diese grenzwertüberschreitende Helligkeit auf die starken Magnetfelder des ULX zurückzuführen ist. Forscher können diese Idee jedoch nur durch Beobachtungen überprüfen und nicht durch Tests im Labor. Grund dafür sind die Magnetfelder von ULX, welche bis zu Milliarden Mal stärker sind als die stärksten Magnete, die jemals auf der Erde hergestellt wurden.

Lichtteilchen, sogenannte Photonen, üben auf Objekte, auf die sie treffen, einen kleinen Schub aus. Wenn ein kosmisches Objekt wie ein ULX genügend Licht pro Quadratmeter ausstrahlt, kann der nach außen gerichtete Schub der Photonen die nach innen gerichtete Anziehungskraft des Objekts überwältigen. In diesem Fall hat das Objekt die Eddington-Grenze erreicht und das Licht des Objekts stößt theoretisch jegliches Gas oder anderes Material weg, das auf das Objekt fällt.

Dieser Wechsel – wenn das Licht die Schwerkraft überwältigt – ist von großer Bedeutung, da das auf einen ULX fallende Material die Quelle seiner Helligkeit ist. Dies ist etwas, was Wissenschaftler häufig bei Schwarzen Löchern beobachten: Wenn ihre starke Schwerkraft Gas und Staub anzieht, können sich diese Materialien erhitzen und Licht ausstrahlen.

Marshmallow mit der Energie von 1.000 Wasserstoffbomben

Früher dachten Wissenschaftler, dass ultraleuchtkräftige Röntgenquellen Schwarze Löcher sein müssen, die von hellen Gaskammern umgeben sind. Doch 2014 zeigten NuSTAR-Daten, dass ein ULX ein weniger massereiches Objekt ist, das als Neutronenstern bezeichnet wird. Wie Schwarze Löcher entstehen Neutronensterne, wenn ein Stern stirbt und kollabiert und dabei mehr als die Masse unserer Sonne auf einer Fläche vereint, die nicht viel größer ist als eine gewöhnliche Stadt.

Diese unglaubliche Dichte erzeugt auch eine Anziehungskraft an der Oberfläche des Neutronensterns. Sie ist etwa 100 Billionen Mal stärker als die Anziehungskraft auf der Erde.

Gas und anderes Material, das von dieser Anziehungskraft mitgerissen wird, wird auf Millionen von Kilometern pro Stunde beschleunigt und setzt beim Auftreffen auf die Oberfläche des Neutronensterns enorme Energie frei. Zum Vergleich: Ein Marshmallow, der auf die Oberfläche eines Neutronensterns fällt, würde mit der Energie von tausend Wasserstoffbomben auftreffen. Dabei entsteht das ultrahelle Röntgenlicht.

Die jüngste Studie fand heraus, dass der ULX namens „M82 X-2“ wie ein kosmischer Parasit etwa neun Trilliarden Tonnen Material pro Jahr von einem benachbarten Stern stiehlt. Dies entspricht etwa der eineinhalbfachen Masse der Erde. Mit der Kenntnis der Materialmenge, die auf die Oberfläche des Neutronensterns trifft, konnten die Wissenschaftler abschätzen, wie hell die ultraleuchtkräftige Röntgenquelle ist. Ihre Berechnungen stimmen schließlich mit der unabhängigen Messung der Helligkeit überein.

Keine Illusionen

Es gibt eine weitere Theorie, die die scheinbar unmögliche Helligkeit dieser Objekte erklären könnte, ohne dass ULXs die Eddington-Grenze überschreiten müssen. Demnach würden starke Winde einen hohlen Kegel um die Lichtquelle bilden, der den Großteil der Emission in eine Richtung konzentriert.

Wenn dieser Kegel direkt auf die Erde gerichtet ist, könnte er eine Art optische Täuschung erzeugen, die fälschlicherweise den Eindruck erweckt, als würde die ultraleuchtkräftige Röntgenquelle die Helligkeitsgrenze überschreiten.

Selbst wenn dies bei einigen ULXs der Fall sein sollte, sind sich die Forscher der aktuellen Studie sicher, dass starke Magnetfelder die etwa kugelförmigen Teilchen in längliche, fadenförmige Formen verzerren. Dies würde die Fähigkeit der Photonen verringern, die Atome wegzustoßen, und letztlich die maximal mögliche Helligkeit eines Objekts erhöhen.

„Diese Beobachtungen zeigen uns die Auswirkungen unglaublich starker Magnetfelder, die wir auf der Erde mit der derzeitigen Technologie niemals reproduzieren könnten“, so der Astrophysiker und Hauptautor der Studie, Matteo Bachetti.

„Das ist das Schöne an der Astronomie. Durch die Beobachtung des Himmels erweitern wir unsere Möglichkeiten, zu untersuchen, wie das Universum funktioniert. Andererseits können wir keine Experimente durchführen, um schnelle Antworten zu erhalten. Stattdessen müssen wir darauf warten, dass das Universum uns seine Geheimnisse zeigt.“

Die Studie erschien am 5. Oktober 2022 in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal“.