Eine Illustration zeigt ein sich drehendes schwarzes Loch (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Schwarze Löcher geben möglicherweise mehr Energie an ihre Umgebung ab als bisher angenommen – und je schneller sich diese Hohlräume drehen, desto effizienter scheint dieser Energieentzug zu sein.
In diesem Sinne hat ein Team von Wissenschaftlern herausgefunden, wie die Gas- und Staubscheiben, die um Schwarze Löcher herumwirbeln, zu den leistungsstarken Motoren galaktischer Kraftwerke werden können. Was das bedeutet, erfahren Sie hier.
Seit 1977 stellen Forscher die Theorie auf, dass die Energie in erster Linie von den Magnetfeldern der Schwarzen Löcher abgezogen und in leistungsstarke, hochenergetische Teilchenstrahlen umgewandelt wird, die durch den so genannten „Blandford-Znajek (BZ)-Effekt“ von den Polen der Objekte ausgehen. Allerdings sind sich die Wissenschaftler über viele Dinge im Zusammenhang mit diesem Prozess nicht im Klaren, z. B. darüber, was die Menge der umgewandelten Energie bestimmt.
Um diese Fragen zu klären, hat ein Forscherteam die Wirkung einer so genannten Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch simuliert. Diese Simulation könnte nicht nur entscheidende Einblicke in die komplexe Physik um Schwarze Löcher gewähren, sondern auch unser Verständnis der Rolle, die supermassereiche Schwarze Löcher bei der Gestaltung ganzer Galaxien spielen, neu definieren.
„Es ist seit langem bekannt, dass einfallendes Gas einem Schwarzen Loch Spin-Energie entziehen kann“, sagte Jason Dexter, Mitglied des Teams und Forscher an der University of Colorado, Boulder, in einer Erklärung. „Normalerweise gehen wir davon aus, dass dies für den Antrieb von Jets wichtig ist“, so Dexter. Durch genauere Messungen, so Dexter, deuten die neuen Forschungsergebnisse seines Teams darauf hin, dass den Schwarzen Löchern viel mehr Energie entzogen wird, als bisher bekannt war. „Diese Energie könnte als Licht abgestrahlt werden, oder sie könnte Gas nach außen strömen lassen“, so Dexter weiter. „So oder so könnte die extrahierte Spin-Energie eine wichtige Energiequelle sein, um die Regionen in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs zu beleuchten.“
Materie fällt in ein supermassives Schwarzes Loch, während Energie nach außen dringt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Wissenschaftler untersuchen seit Jahrzehnten schwarze Löcher und ihre Wechselwirkungen mit den sie umgebenden Galaxien. Ziel ist es, herauszufinden, wie die supermassiven schwarzen Löcher im Herzen von Galaxien, die Millionen oder Milliarden Mal so groß sind wie die Sonne, aktive galaktische Kerne (AGNs) und Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit antreiben. AGNs sind oft so hell, dass sie das kombinierte Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien überstrahlen, und das erfordert eine Menge Energie – Energie, die irgendwoher kommen muss.
Viele dieser früheren Studien konzentrierten sich auf leuchtschwache Quellen mit kugelförmigen „Akkretionsströmen“, die die Schwarzen Löcher speisen. Das liegt daran, dass es eine Herausforderung war, die theoretisch instabilen und dünnen, aber sehr dichten und stark magnetisierten Scheiben in AGNs mit höherer Leuchtkraft zu modellieren.
Die bisherigen Forschungen zu diesen Systemen lassen vermuten, dass starke Magnetfelder zur Stabilisierung dieser Scheiben beitragen könnten, aber wenn das der Fall ist, ist unklar, welche Rolle diese Felder dann bei der Energiegewinnung und der Erzeugung von Strahlen spielen.
„Wir wollten verstehen, wie die Energiegewinnung in diesen stark magnetisierten Umgebungen funktioniert“, sagte Prasun Dhang, Teammitglied und Postdoktorand an der University of Colorado, Boulder, in der Erklärung.
Eine Illustration, die die Anatomie des supermassiven schwarzen Lochs und des AGN im Herzen von NGC 4151 zeigt. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
Das vom Team eingesetzte fortschrittliche Computermodell mit dem Namen 3D General Relativistic Magnetohydrodynamic (GRMHD) simuliert die Physik des überhitzten Gases oder „Plasmas“ in der gekrümmten Struktur der Raumzeit und der Region mit hoher Schwerkraft um schwarze Löcher.
Damit konnten die Forscher beobachten, wie Magnetfelder mit schwarzen Löchern interagieren, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, und insbesondere die Effizienz der Energiegewinnung untersuchen.
„Wir wollten herausfinden, wie sich der magnetische Fluss, der das Schwarze Loch durchzieht, auf die Energiegewinnung auswirkt und ob er zur Bildung von Jets führt“, so Dhang.
Die Simulationen ergaben, dass zwischen 10 % und 70 % der Energie, die dem Spin des Schwarzen Lochs entzogen wird, über den BZ-Prozess in seine Jets geleitet wird.
„Je höher [schneller] der Spin, desto mehr Energie kann das Schwarze Loch freisetzen“, so Dhang weiter.
Der Rest der Energie, die dem Spin des Schwarzen Lochs entzogen wurde (aber nicht in die Jets geleitet wurde), wurde entweder von der Akkretionsscheibe absorbiert oder als Wärme abgeleitet.
Das Team fand auch heraus, dass die Stärke des Magnetfelds die Helligkeit der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs erhöhte. Dies könnte erklären, warum einige AGNs viel heller sind als von theoretischen Modellen vorhergesagt.
„Die ungenutzte Energie in der Nähe des Schwarzen Lochs könnte die Scheibe aufheizen und zu einer Korona beitragen“, so Dhang.
Das Team beabsichtigt nun, weitere Simulationen durchzuführen und besser zu verstehen, wie sich Koronen um Schwarze Löcher bilden könnten.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 14. Februar in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
