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Eine Illustration zeigt ein schwarzes Loch, das eine „eintauchende“ Verformung der Raumzeit verursacht (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wissenschaftler haben zum ersten Mal bestätigt, dass die Struktur der Raumzeit am Rande eines Schwarzen Lochs einen „finalen Sprung“ macht.

Die Beobachtung dieser abfallenden Region um Schwarze Löcher wurde von Astrophysikern der Oxford University Physics gemacht und trägt dazu bei, eine wichtige Vorhersage von Albert Einsteins Gravitationstheorie von 1915 zu bestätigen: die allgemeine Relativitätstheorie.

Das Team in Oxford machte die Entdeckung, als es sich auf die Regionen konzentrierte, die Schwarze Löcher mit stellarer Masse in Doppelsternsystemen mit Begleitsternen umgeben, die sich relativ nahe an der Erde befinden. Die Forscher nutzten Röntgendaten, die von einer Reihe von Weltraumteleskopen gesammelt wurden, darunter das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA und der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der Internationalen Raumstation.

Diese Daten ermöglichten es ihnen, das Schicksal von heißem ionisiertem Gas und Plasma zu bestimmen, das von einem Begleitstern abgestreift wird und am Rande des zugehörigen Schwarzen Lochs in die Tiefe stürzt. Die Ergebnisse zeigten, dass diese so genannten Eintauchregionen um ein Schwarzes Loch die Orte sind, an denen sich einige der stärksten Gravitationspunkte befinden, die jemals in unserer Milchstraßengalaxie beobachtet wurden.

„Dies ist der erste Blick darauf, wie Plasma, das vom äußeren Rand eines Sterns abgeschält wird, seinen endgültigen Fall in das Zentrum eines Schwarzen Lochs erlebt, ein Prozess, der sich in einem System abspielt, das etwa 10.000 Lichtjahre entfernt ist“, sagte der Leiter des Teams und Wissenschaftler für Physik an der Universität Oxford Andrew Mummery in einer Erklärung. „Einsteins Theorie sagte die Existenz dieses finalen Sturzes voraus, aber dies ist das erste Mal, dass wir ihn nachweisen können.

„Stellen Sie sich einen Fluss vor, der sich in einen Wasserfall verwandelt – bisher haben wir nur den Fluss gesehen. Jetzt sehen wir zum ersten Mal den Wasserfall.“

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Woher kommt der Sturz aus dem Schwarzen Loch?

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse die Struktur von Raum und Zeit, die als eine einzige vierdimensionale Einheit, „Raumzeit“ genannt, vereint sind, krümmen. Die Schwerkraft ergibt sich aus der daraus resultierenden Krümmung.

Obwohl die allgemeine Relativitätstheorie in 4D funktioniert, kann sie durch eine grobe 2D-Analogie vage veranschaulicht werden. Stellen Sie sich vor, Sie legen Kugeln mit zunehmender Masse auf eine gespannte Gummiplatte. Ein Golfball würde eine winzige, kaum wahrnehmbare Delle verursachen; ein Kricketball würde zu einer größeren Delle führen und eine Bowlingkugel zu einer massiven Delle. Das ist analog zu Monden, Planeten und Sternen, die die 4D-Raumzeit „eindellen“. Mit zunehmender Masse eines Objekts nimmt auch die Krümmung zu, die es verursacht, und damit auch sein gravitativer Einfluss. Ein Schwarzes Loch wäre wie eine Kanonenkugel auf dieser analogen Gummiplatte.

Mit Massen, die Dutzenden oder sogar Hunderten von Sonnen entsprechen, komprimiert auf eine Fläche, die in etwa der der Erde entspricht, können die Krümmung der Raumzeit und der Gravitationseinfluss stellarmassiger Schwarzer Löcher ziemlich extrem werden. Supermassive Schwarze Löcher hingegen sind eine ganz andere Geschichte. Sie sind enorm massereich, mit Massen, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entsprechen, und stellen selbst ihre stellaren Gegenstücke in den Schatten.

Um auf die allgemeine Relativitätstheorie zurückzukommen, schlug Einstein vor, dass diese Krümmung der Raumzeit zu anderen interessanten physikalischen Phänomenen führt. So müsse es zum Beispiel einen Punkt außerhalb der Grenze des Schwarzen Lochs geben, an dem die Teilchen nicht in der Lage seien, eine kreisförmige oder stabile Bahn einzuschlagen. Stattdessen würde die Materie, die in diese Region eintritt, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf das Schwarze Loch zustürzen.

Ein „normaler“ Stern befindet sich in einem Doppelsternsystem mit einem Schwarzen Loch, dessen Masse vom ersteren zum letzteren folgt (Bildnachweis: ICRAR)

Die Physik der Materie in dieser hypothetischen Absturzregion eines Schwarzen Lochs zu verstehen, ist schon seit einiger Zeit ein Ziel von Astrophysikern. Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchte das Oxford-Team, was passiert, wenn schwarze Löcher in einem Doppelsternsystem mit einem „normalen“ Stern existieren.

Wenn die beiden nah genug beieinander stehen oder der Stern leicht aufgebläht ist, kann die Schwerkraft des Schwarzen Lochs stellares Material mit sich ziehen. Da dieses Plasma einen Drehimpuls hat, kann es nicht direkt auf das Schwarze Loch fallen – stattdessen bildet es eine abgeflachte, rotierende Wolke um das Schwarze Loch, die Akkretionsscheibe.

Aus dieser Akkretionsscheibe wird dem Schwarzen Loch nach und nach Materie zugeführt. Nach den Modellen der Fütterung Schwarzer Löcher sollte es einen Punkt geben, der als innerste stabile Kreisbahn (ISCO) bezeichnet wird – der letzte Punkt, an dem die Materie in einer Akkretionsscheibe stabil rotieren kann. Jede Materie, die darüber hinausgeht, befindet sich in der „Absturzregion“ und beginnt ihren unvermeidlichen Abstieg in den Schlund des Schwarzen Lochs. Die Debatte darüber, ob dieser Bereich jemals entdeckt werden könnte, wurde beigelegt, als das Team in Oxford Emissionen jenseits des ISCO von Akkretionsscheiben um ein Schwarzes Loch in der Milchstraße namens MAXI J1820+070 fand.

Beobachtungen des Röntgenflackerns des Doppelsterns MAXI J1820+070 mit dem Weltraumteleskop Chandra. (Bildnachweis: NASA/Chandra)

Die schwarze Lochkomponente von MAXI J1820+070, die sich etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet und eine Masse von etwa acht Sonnen hat, zieht Material von ihrem stellaren Begleiter ab und stößt dabei Zwillingsstrahlen mit etwa 80 % der Lichtgeschwindigkeit aus; außerdem erzeugt sie starke Röntgenemissionen.

Das Team fand heraus, dass das Röntgenspektrum von MAXI J1820+070 einen „Soft-State“-Ausbruch zeigt, der die Emission einer Akkretionsscheibe darstellt, die ein rotierendes oder „Kerr“-Schwarzes Loch umgibt – eine vollständige Akkretionsscheibe, einschließlich der eintauchenden Region.

Die Forscher sagen, dass dieses Szenario der erste robuste Nachweis von Emissionen aus einer eintauchenden Region am inneren Rand einer Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs ist; sie bezeichnen solche Signale als „intra-ISCO-Emissionen“. Diese Intra-ISCO-Emissionen bestätigen die Genauigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie bei der Beschreibung der Regionen in unmittelbarer Nähe von Schwarzen Löchern.

Um diese Forschung weiterzuverfolgen, arbeitet ein separates Team des Oxford Department of Physics mit einer europäischen Initiative zum Bau des Africa Millimeter Telescope zusammen. Dieses Teleskop soll den Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, direkte Bilder von Schwarzen Löchern aufzunehmen und die tiefer liegenden Regionen von weiter entfernten Schwarzen Löchern zu erforschen.

„Das wirklich Aufregende ist, dass es in der Galaxie viele Schwarze Löcher gibt, und wir haben jetzt eine leistungsstarke neue Technik, um sie zur Untersuchung der stärksten bekannten Gravitationsfelder zu nutzen“, so Mummery abschließend.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.