Astronomen finden heraus, wie Schwarze Löcher relativistische Materialstrahlen über Lichtjahre hinweg ausstoßen können
Schwarze Löcher sind seit Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ihre Existenz vorausgesagt. In den letzten 100 Jahren hat die Erforschung von Schwarzen Löchern beträchtliche Fortschritte gemacht, aber die Ehrfurcht und das Mysterium dieser Objekte bleiben bestehen. Wissenschaftler haben beispielsweise festgestellt, dass in einigen Fällen von Schwarzen Löchern massive Jets geladener Teilchen ausgehen, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken.
Diese „relativistischen Jets“ – so genannt, weil sie geladene Teilchen mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit antreiben – haben Astronomen seit Jahren verwirrt. Aber danke an a Kürzlich durchgeführte Studie von einem internationalen Forscherteam durchgeführt, konnten neue Erkenntnisse über diese Jets gewonnen werden. In Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zeigten die Forscher, dass diese Jets allmählich präzedieren (d. h. ihre Richtung ändern), als Ergebnis der Raumzeit, die in die Rotation des Schwarzen Lochs hineingezogen wird.
Ihre Studie mit dem Titel „ Bildung von präzessierenden Jets durch geneigte Schwarze-Loch-Scheiben in 3D-allgemeinrelativistischen MHD-Simulationen “, erschien vor kurzem in derMonatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Das Team bestand aus Mitgliedern der Anton Pannekoek Institut für Astronomie an der Universität Amsterdam und ein Professor der Zentrum für interdisziplinäre Exploration und Forschung in der Astrophysik (CIERA) an der Northwestern University.
Für ihre Studie führte das Team Simulationen mit dem Blue Waters Supercomputer an der Universität von Illinois. Die von ihnen durchgeführten Simulationen waren die ersten, die das Verhalten relativistischer Jets modelliert haben, die von Supermassive Schwarze Löcher (SMBH). Mit fast einer Milliarde Rechenzellen war dies auch die höchstauflösende Simulation eines sich ansammelnden Schwarzen Lochs, die jemals erreicht wurde.
Als Alexander Tchekhovskoy, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences , erklärt in einem kürzlich erschienenen Northwestern Now Pressemitteilung :
„Zu verstehen, wie rotierende Schwarze Löcher die Raumzeit um sich herum ziehen und wie dieser Prozess das beeinflusst, was wir durch die Teleskope sehen, bleibt ein entscheidendes, schwer zu lösendes Rätsel. Glücklicherweise bringen uns die Durchbrüche in der Codeentwicklung und die Sprünge in der Supercomputerarchitektur immer näher an die Antworten.“
Ähnlich wie bei allen supermassiven Schwarzen Löchern verschlingen sich schnell drehende SMBHs regelmäßig (auch bekannt als Akkrete) Materie. Schnell drehende Schwarze Löcher sind jedoch auch dafür bekannt, dass sie Energie in Form relativistischer Jets emittieren. Die Materie, die diese Schwarzen Löcher nährt, bildet eine rotierende Scheibe um sie herum – auch bekannt als. eine Akkretionsscheibe – die durch heißes, energetisiertes Gas und magnetische Feldlinien gekennzeichnet ist.
Es ist das Vorhandensein dieser Feldlinien, die es Schwarzen Löchern ermöglichen, Energie in Form dieser Jets anzutreiben. Da diese Jets so groß sind, sind sie leichter zu untersuchen als die Schwarzen Löcher selbst. Auf diese Weise können Astronomen nachvollziehen, wie schnell sich die Richtung dieser Jets ändert, was Aufschluss über die Rotation der Schwarzen Löcher selbst gibt – etwa über die Ausrichtung und Größe ihrer rotierenden Scheiben.
Für die Untersuchung von Schwarzen Löchern sind fortschrittliche Computersimulationen erforderlich, vor allem weil sie im sichtbaren Licht nicht beobachtbar und in der Regel sehr weit entfernt sind. Zum Beispiel ist das der Erde am nächsten liegende SMBH Schütze A* , das sich etwa 26.000 Lichtjahre entfernt im Zentrum unserer Galaxie befindet. Simulationen sind daher der einzige Weg, um zu bestimmen, wie ein hochkomplexes System wie ein Schwarzes Loch funktioniert.
In früheren Simulationen gingen die Wissenschaftler davon aus, dass die Scheiben von Schwarzen Löchern ausgerichtet sind. Es wurde jedoch festgestellt, dass die meisten SMBHs gekippte Scheiben haben – d. h. die Scheiben rotieren um eine andere Achse als das Schwarze Loch selbst. Diese Studie war daher wegweisend, da sie zeigte, wie Scheiben ihre Richtung relativ zu ihrem Schwarzen Loch ändern können, was zu präzessiven Jets führt, die ihre Richtung periodisch ändern.
Dies war bisher unbekannt, da unglaublich viel Rechenleistung erforderlich ist, um 3D-Simulationen der Region um ein sich schnell drehendes Schwarzes Loch zu erstellen. Mit Unterstützung von a Nationale Wissenschaftsstiftung (NSF)-Stipendium konnte das Team dies erreichen, indem es Blue Waters, einen der größten Supercomputer der Welt, einsetzte.
Nachweis einer ungewöhnlich hellen Röntgenstrahlung von Sagittarius A*, einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Bildnachweis: NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.
Mit diesem Supercomputer konnte das Team den ersten Simulationscode für Schwarze Löcher konstruieren, den es mit grafischen Verarbeitungseinheiten (GPUs) beschleunigte. Dank dieser Kombination konnte das Team Simulationen mit der höchsten jemals erreichten Auflösung durchführen – also fast einer Milliarde Rechenzellen. Als Tchekhovskoy erklärt :
„Durch die hohe Auflösung konnten wir zum ersten Mal sicherstellen, dass kleinräumige turbulente Scheibenbewegungen in unseren Modellen genau erfasst werden. Zu unserer Überraschung erwiesen sich diese Bewegungen als so stark, dass sie die Scheibe dicker machten und die Scheibenpräzession stoppte. Dies deutet darauf hin, dass die Präzession in Schüben erfolgen kann.“
Die Präzession relativistischer Jets könnte erklären, warum in der Vergangenheit Lichtfluktuationen in der Umgebung von Schwarzen Löchern beobachtet wurden – die als quasi-periodische Oszillationen (QPOs) bekannt sind. Diese Strahlen, die zuerst von Michiel van der Klis (einem der Co-Autoren der Studie) entdeckt wurden, funktionieren ähnlich wie die Strahlen eines Quasars, die einen Stroboskopeffekt zu haben scheinen.
Diese Studie ist eine von vielen, die an rotierenden Schwarzen Löchern auf der ganzen Welt durchgeführt werden, um ein besseres Verständnis der jüngsten Entdeckungen wie Gravitationswellen , die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern entstehen. Diese Studien werden auch auf Beobachtungen aus der Event Horizon Teleskop , das die ersten Bilder des Schattens von Sagittarius A* aufnahm. Was sie enthüllen werden, wird sicherlich begeistern und verblüffen und möglicherweise das Geheimnis der Schwarzen Löcher vertiefen.
Im vergangenen Jahrhundert hat sich die Erforschung von Schwarzen Löchern erheblich weiterentwickelt – von rein theoretischen über indirekte Untersuchungen ihrer Auswirkungen auf die umgebende Materie bis hin zur Untersuchung der Gravitationswellen selbst. Vielleicht können wir sie eines Tages sogar direkt studieren oder (wenn es nicht zu viel zu hoffen ist) direkt in sie hineinschauen!
Weiterlesen: Nordwestliches Jetzt , MNRAS