Ungefähr 16.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt eine Kugel aus Millionen von Sternen, die bis in die frühen Jahre des Universums zurückreichen. Dieser dichte Haufen, genannt 47 Tucanae, hat einen Radius von etwa 200 Lichtjahren und ist einer der hellsten Haufen in unserem Nachthimmel. Innerhalb von 47 Tucanae haben intensive Gravitationskräfte die Sterne im Laufe der Zeit sortiert, wodurch weniger dichte Sterne nach außen gedrückt wurden und ein sehr dichter innerer Kern entstand, der der Beobachtung von außen widersteht.
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"Das Studium von Kugelhaufen ist eine berüchtigte Herausforderung", sagt Bülent Kiziltan, Astrophysiker am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Es gibt so viele Sterne nebeneinander, dass es so gut wie unmöglich ist, Strahlung aus der Mitte eines Sterns einzufangen. Während Wissenschaftler schon lange vermuteten, dass 47 Tucanae ein Schwarzes Loch im Zentrum haben könnten, wie es bei vielen anderen Kugelhaufen der Fall zu sein scheint, konnten sie dies nicht beweisen.
In einer Studie, die gestern in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben Kiziltan und seine Kollegen geholfen, einen Blick in das Herz von 47 Tucanae zu werfen, um das erste einer neuen Klasse mittelgroßer Schwarzer Löcher zu finden.
Trotz ihres Namens sind Schwarze Löcher nicht so schwarz, sagt Kiziltan. Als sie Sterne auseinander reißen, die das Pech haben, in ihre Richtung zu wandern, bilden sie eine Scheibe aus hellen, heißen Gasen, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Schwarze Löcher lassen kein sichtbares Licht entweichen, senden jedoch normalerweise Röntgenstrahlen aus, wenn sie diese Gase verbrauchen. 47 Tucanae ist jedoch so dicht, dass es in seiner Mitte keine Gase mehr gibt, die das Schwarze Loch verbrauchen könnte.
Kiziltan nutzte sein Know-how für eine andere Art von Weltraumobjekt - Pulsare -, um diese schwer fassbaren Arten von Schwarzen Löchern auf eine neue Art und Weise aufzuspüren.
Pulsare "bieten uns eine Plattform, mit der wir kleinste Änderungen in der Umgebung untersuchen können", sagt Kiziltan. Diese Sterne, die in sehr regelmäßigen Abständen "Strahlungsimpulse" aussenden, können als Referenzpunkte verwendet werden, um kosmische Formationen, einschließlich Kugelhaufen, abzubilden. Kiziltan vergleicht sie mit "kosmischen Atomuhren".
Mit zwei Dutzend Pulsaren an den Rändern von 47 Tucanae als Leitfaden konnten Kiziltan und sein Team Simulationen erstellen, wie sich der Kugelsternhaufen im Laufe der Zeit entwickelte und insbesondere wie sich die dichteren und weniger dichten Sterne in ihre heutigen Positionen sortierten.
Diese Simulationen waren ein gewaltiges Unterfangen, sagt Kiziltan, und es dauerte auch auf extrem leistungsfähigen Computern ungefähr sechs bis neun Monate, bis sie abgeschlossen waren. Aus diesem Grund sei er nicht begeistert gewesen, als die Gutachter von Nature nach weiteren Simulationen fragten, deren Fertigstellung ein weiteres Jahr in Anspruch nahm.
Aber diese Anstrengung hat sich gelohnt, sagt Kiziltan, weil sie zu etwas Beispiellosem geführt hat: der ersten Entdeckung eines Schwarzen Lochs in einem Kugelhaufen. Nach Hunderten von Simulationen war das einzige mögliche Szenario, das zur Entwicklung der heutigen 47 Tucanae führen könnte, ein Schwarzes Loch im dichten, gaslosen Zentrum des globalen Clusters. Diese bisher nicht berücksichtigte Umgebung für ein Schwarzes Loch eröffne neue Orte, um nach ihnen zu suchen, sagt Kiziltan.
"Man kann sich nur vorstellen, was in den Zentren anderer globaler Cluster lauert", sagt Kiziltan.
Spannend sei auch die Größe des von Kiziltan vorausgesagten Schwarzen Lochs. Bisher haben Wissenschaftler vor allem kleine Schwarze Löcher (die ungefähr so groß sind wie die Sterne, aus denen sie entstanden) und supermassereiche Schwarze Löcher (die tausendfach größer sind als unsere Sonne) gefunden. Schwarze Löcher mittlerer Größe sind Wissenschaftlern größtenteils entgangen - wenn auch nicht aus Mangel an Versuchen.
Das in der Mitte von 47 Tucanae vorhergesagte Schwarze Loch fällt in diesen seltenen Mittelweg, sagt Kiziltan. Weitere Untersuchungen dieses potenziellen Schwarzen Lochs könnten neue Erkenntnisse darüber liefern, wie und warum sich diese weitgehend unbekannten Arten von Schwarzen Löchern bilden.
Vielleicht noch wichtiger als die Entdeckungen selbst ist, wie Kiziltan und sein Team zu ihnen kamen. Kiziltan und seine Mitarbeiter stützten sich auf eine mathematische Theorie, die in den 1950er Jahren von zwei amerikanischen Kryptographen entwickelt wurde, um die wahrscheinliche Verteilung der Sterne in 47 Tucanae zu bestimmen. "Sie haben diese mathematische Methode entwickelt, um unvollständige Informationen zusammenzufügen, um das Gesamtbild zu sehen", sagt Kiziltan.
Kiziltan arbeitet daran, seinen neuen Ansatz zu verfeinern und diese neue Methode zu verwenden, um andere Populationen von Sternen nach bisher nicht sichtbaren Schwarzen Löchern zu untersuchen. Leistungsstarke neue wissenschaftliche Computer und andere Instrumente, die in den kommenden Jahren online gehen werden, werden bei dieser Suche helfen, sagt er.
"Wir haben in dieser Arbeit zum ersten Mal viele Dinge getan", sagt Kiziltan. Gleichzeitig „gibt es noch so viele Dinge, die erledigt werden müssen.“
