Eine künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs, das Jets freisetzt (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Ein Experiment, bei dem Protonenstrahlen eingesetzt werden, um die Wechselwirkung zwischen Plasma und Magnetfeldern zu untersuchen, hat möglicherweise gerade das Rätsel gelöst, wie Quasare und andere aktive supermassereiche schwarze Löcher ihre relativistischen Jets freisetzen.
Stellen wir uns die Szene im Herzen eines Quasars vor. Ein supermassereiches Schwarzes Loch, vielleicht hundertmillionen- oder sogar milliardenfach so groß wie unsere Sonne, verschlingt mit Heißhunger Materie, die aus einer spiralförmigen, ultraheißen Scheibe in seinen Schlund strömt. Diese geladene Materie wird als Plasma bezeichnet und durch die Schwerkraft in die Umgebung des Schwarzen Lochs gezogen – allerdings wird nicht das gesamte Plasma, das aus ionisierten oder elektrifizierten, von Elektronen befreiten Atomen besteht, vom Schwarzen Loch verschluckt. Tatsächlich beißt das Schwarze Loch mehr ab, als es kauen kann, und ein Teil des Plasmas wird in Strahlen ausgespuckt, die durch das starke Magnetfeld des Schwarzen Lochs kollimiert werden, bevor das Plasma überhaupt in die Nähe des Ereignishorizonts gelangt, der im Grunde der Punkt ohne Wiederkehr ist.
Diese Jets können sich Tausende von Lichtjahren ins All erstrecken. Doch die physikalischen Vorgänge an der Basis des Jets, wo sie entstehen, konnten die Wissenschaftler bisher nicht erklären.
Die Antwort könnte von Forschern des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in New Jersey stammen, die eine Modifikation einer Plasmamessmethode namens Protonenradiographie entwickelt haben.
In ihrem Experiment erzeugten die Forscher zunächst ein Plasma mit hoher Energiedichte, indem sie einen gepulsten 20-Joule-Laserstrahl auf ein Kunststoffziel schossen. Dann setzten sie leistungsstarke Laser ein, um die Kernfusion in einer mit Deuterium und Helium-3 gefüllten Brennstoffkapsel zu initiieren. Die Fusionsreaktionen setzten Ausbrüche von Protonen und Röntgenstrahlen frei.
Diese Protonen und Röntgenstrahlen wurden dann durch ein mit winzigen Löchern gefülltes Nickelnetz geleitet. Stellen Sie sich das Netz wie ein Sieb zum Abseihen von Nudeln vor; es zerlegt die Protonen in viele einzelne Strahlen, mit denen dann gemessen werden kann, wie die sich ausdehnende Plasmafahne mit einem Hintergrundmagnetfeld wechselwirkt. Da die Protonen geladen sind, folgen sie den Magnetfeldlinien, während sie durch das Plasma geschleudert werden. Der Röntgenausbruch dient als Kontrolle – da die Röntgenstrahlen das Netz und das Magnetfeld sauber durchdringen, liefern sie ein unverzerrtes Bild des Plasmas, das mit den Protonenstrahlmessungen verglichen werden kann.
„Unser Experiment war einzigartig, weil wir direkt sehen konnten, wie sich das Magnetfeld mit der Zeit verändert“, sagte Will Fox, der Leiter des Experiments, in einer Erklärung. „Wir konnten direkt beobachten, wie das Feld nach außen gedrückt wird und auf das Plasma in einer Art Tauziehen reagiert.“
Sie beobachteten im Detail, wie sich das Magnetfeld unter dem Druck des sich ausdehnenden Plasmas nach außen biegt, wobei das Plasma gegen die Magnetfeldlinien schwappt. Dieses Blubbern und Aufschäumen des Plasmas wird als Magneto-Rayleigh-Taylor-Instabilität bezeichnet und erzeugt Formen im Magnetfeld, die wie Strudel und Pilze aussehen. Als die Energie des Plasmas abnahm, konnten sich die Magnetfeldlinien zurückbilden. Dadurch wurde das Plasma zu einer geraden, schmalen Säule komprimiert, die dem relativistischen Strahl eines Quasars nicht unähnlich ist.
„Als wir das Experiment durchführten und die Daten analysierten, entdeckten wir, dass wir etwas Großes hatten“, sagte Sophia Malko vom PPPL. „Die Beobachtung von Magneto-Rayleigh-Taylor-Instabilitäten, die durch die Wechselwirkung von Plasma und Magnetfeldern entstehen, wurde schon lange vermutet, aber bis jetzt noch nie direkt beobachtet. Diese Beobachtung hilft zu bestätigen, dass diese Instabilität auftritt, wenn expandierendes Plasma auf Magnetfelder trifft.“
Das Experiment deutet stark darauf hin, dass Quasar-Jets ihre Entstehung dieser Art von Reaktion der Magnetfelder auf das expandierende Plasma verdanken. Wenn die Ergebnisse eine Momentaufnahme dessen sind, was um aktive Schwarze Löcher herum passiert, würde das bedeuten, dass in der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs die Bedingungen so intensiv werden, dass das Plasma in der Scheibe in der Lage ist, gegen die dicht gepackten Magnetfeldlinien zu stoßen, die dann zurückschnellen und das Plasma in eine schmale Spalte drücken können, wodurch es fast vom Schwarzen Loch weggeschleudert wird. Wenn dies zutrifft, könnte dies ein wichtiges fehlendes Element in unserem Bild von der Funktionsweise aktiver Schwarzer Löcher sein.
„Jetzt, da wir diese Instabilitäten sehr genau gemessen haben, verfügen wir über die Informationen, die wir brauchen, um unsere Modelle zu verbessern und möglicherweise astrophysikalische Jets besser als bisher zu simulieren und zu verstehen“, sagt Malko. „Es ist interessant, dass Menschen in einem Labor etwas herstellen können, das normalerweise im Weltraum existiert.“
Die Ergebnisse wurden am 27. Juni in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.
