Eine Illustration eines sich drehenden Schwarzen Lochs, das seine Umgebung verwirbelt.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Schwarze Löcher üben einen enormen Einfluss auf ihre Umgebung aus, d. h., wenn sie sich drehen, ziehen sie buchstäblich die Struktur von Raum und Zeit mit sich herum. Das bedeutet, dass nichts um ein rotierendes Schwarzes Loch herum stillstehen kann, auch nicht die „Platten“, von denen sich diese kosmischen Titanen ernähren.
Die abgeflachten Gas- und Staubwolken, die supermassereiche Schwarze Löcher umgeben, werden als Akkretionsscheiben bezeichnet. In der Umgebung einiger supermassereicher schwarzer Löcher ist die Umwälzung dieser Scheiben eine der effizientesten Arten der Energieumwandlung im bekannten Universum – die Umwandlung von Gravitations- und kinetischer Energie in helle elektromagnetische Energie, die wir besser als „Licht“ kennen.
Astronomen wissen, dass die schwächeren Akkretionsscheiben wie langsame Kreisel um einige schwarze Löcher „wackeln“. Bisher war jedoch nicht klar, ob unglaublich helle oder „ultraleuchtende“ Akkretionsscheiben bei ihrer Drehung ebenfalls wackeln oder sich „entwickeln“. Genau das wollten Forscher der Universität Tsukuba herausfinden.
„Die Gravitationsenergie der akkretierenden Materie wird freigesetzt, und ein Teil der freigesetzten Energie wird in thermische, magnetische und Strahlungsenergie umgewandelt. Es wird vermutet, dass infolgedessen starke Strahlung und Jets auftreten“, schreiben die Autoren in einem im Astrophysical Journal veröffentlichten Artikel.
Eine künstlerische Darstellung der inneren Teile der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch V404 Cygni. (Bildnachweis: ICRAR)
Drehende schwarze Löcher haben wackelige Tanzpartner
Supermassive Schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder manchmal sogar Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, befinden sich vermutlich im Herzen aller großen Galaxien – aber nicht alle dieser Schwarzen Löcher sind von Akkretionsscheiben umgeben.
Wenn Akkretionsscheiben vorhanden sind, erzeugt die immense Schwerkraft des zentralen Schwarzen Lochs eine enorme Reibung in den abgeflachten Wolken, wodurch Gas und Staub erhitzt und die Materie in Plasma umgewandelt wird. Dies führt dazu, dass Akkretionsscheiben in Regionen, die Wissenschaftler als aktive galaktische Kerne (AGNs) bezeichnen, hell leuchten.
Da Schwarze Löcher „Dreckfresser“ sind, wird ein Teil des Materials in den Akkretionsscheiben durch starke Magnetfelder zu den Polen des Schwarzen Lochs gelenkt, wo sie als hochenergetische Zwillingsplasmastrahlen herausgeschleudert werden. Diese Strahlen bewegen sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit und werden von starken elektromagnetischen Emissionen begleitet.
Die Emissionen dieser von supermassiven schwarzen Löchern angetriebenen Quellen werden hier auf der Erde als „Quasare“ wahrgenommen. Einige Akkretionsscheiben- und Plasmajet-Emissionen in AGNs können so hell sein, dass sie das gemeinsame Licht aller Sterne in ihrer Heimatgalaxie überstrahlen.
NASA’s Goddard Space Flight Center)
Das Forschungsteam wollte wissen, ob die hellsten oder „ultraleuchtenden“ Akkretionsscheiben auf die gleiche Weise wackeln wie ihre weniger leuchtenden Gegenstücke. Um dies herauszufinden, führten die Forscher eine groß angelegte Simulation durch, die die Dynamik der elektromagnetischen Strahlung und Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1915 berücksichtigte.
Damit wurde zum ersten Mal bestätigt, dass ultraluminöse Akkretionsscheiben tatsächlich Dinge wie schwächere Akkretionsscheiben verarbeiten, während sie von den supermassereichen Schwarzen Löchern in ihrem Herzen herumgezogen werden.
„Das Gas wird hauptsächlich um die Rotationsachse des äußeren Teils der Scheibe und nicht um die Spin-Achse des Schwarzen Lochs ausgestoßen“, schreibt das Team in seiner Arbeit. „Die Präzession der Scheibe ändert die Auswurfrichtung des Gases mit der Zeit.“
Das Team stellte auch fest, dass sich das Taumeln auf die Plasmastrahlen überträgt, die von den schwarzen Löchern im Herzen der ultraluminösen Akkretionsscheiben ausgestoßen werden. Dies würde dazu führen, dass diese Jets und das von ihnen ausgestrahlte Licht ihre Richtung ändern. Dies könnte die periodischen Helligkeitsänderungen erklären, die in den ultraleuchtenden Akkretionsscheiben zu beobachten sind und die den Wissenschaftlern bisher ein großes Rätsel waren.
Das Team der Universität Tsukuba will nun bestätigen, dass sich die schwarzen Löcher im Herzen dieser Akkretionsscheiben und dieser Forschung tatsächlich drehen.
Dazu werden sie eine Analyse durchführen, in der sie Langzeitsimulationen mit astronomischen Beobachtungen dieser Systeme vergleichen. Dies könnte unser Verständnis dafür vertiefen, wie der Spin von Schwarzen Löchern eine Vielzahl kosmischer Phänomene entscheidend beeinflusst, und die Auswirkung drehender Schwarzer Löcher auf die Struktur von Raum und Zeit bestätigen.
Eine Studie über diese Ergebnisse wurde im September in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
