Schwarze Löcher sind die faszinierendsten und beeindruckendsten Naturgewalten. Sie sind auch eine der mysteriösesten, weil die Regeln der konventionellen Physik in ihrer Gegenwart zusammenbrechen. Trotz jahrzehntelanger Forschung und Beobachtungen wissen wir immer noch nicht viel über sie. Tatsächlich hatten Astronomen bis vor kurzem noch nie einen Bild des Schwarzen Lochs und konnten ihre Masse nicht abschätzen.
Ein Team von Physikern der Moskauer Institut für Physik und Technologie (MIPT) gaben kürzlich bekannt, dass sie einen Weg gefunden haben, um indirekt die Masse eines Schwarzen Lochs messen und bestätigt gleichzeitig seine Existenz. In einer aktuellen Studie zeigten sie, wie sie diese Methode an dem kürzlich aufgenommenen supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum des Messier 87 aktive Galaxie.
Die Studie erschien in der August-Ausgabe derMonatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Neben Forschern des MIPT umfasste das Team auch Mitglieder aus den Niederlanden Gemeinsames Institut für VLBI ERIC (JIVE), die Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan und die NOAJs Mizusawa VLBI-Observatorium in Japan.
Künstlerische Darstellung eines aktiven galaktischen Kerns (AGN) im Zentrum einer Galaxie. Bildnachweis: NASA/CXC/M.Weiss
Seit Jahrzehnten wissen Astronomen, dass die meisten massereichen Galaxien eine supermassives Schwarzes Loch (SMBH) in ihrem Zentrum. Das Vorhandensein dieses SMBH führt zu einer beträchtlichen Aktivität im Kern, wo Gas und Staub in eine Akkretionsscheibe fallen und auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die sie dazu bringen, Licht sowie Radio-, Mikrowellen-, Röntgen- und Gammastrahlen auszusenden. Strahlenstrahlung.
Bei einigen Galaxien ist die von der Kernregion erzeugte Strahlungsmenge so hell, dass sie das Licht aller Sterne in ihrer Scheibe zusammen übertrifft. Diese werden als aktive Galaxien mit galaktischen Kernen (AGN) bezeichnet, da sie über aktive Kerne verfügen und andere Galaxien vergleichsweise „ruhig“ sind. Ein weiterer verräterischer Indikator dafür, dass eine Galaxie aktiv ist, sind die langen Strahlen überhitzter Materie, die sich ausbreiten.
Diese ' relativistische Jets “, die sich über Millionen von Lichtjahren nach außen erstrecken können, werden so genannt, weil das Material in ihnen auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. Obwohl diese Jets noch nicht vollständig verstanden sind, besteht derzeit Konsens darin, dass sie durch einen bestimmten „motorischen Effekt“ erzeugt werden, der von einem sich schnell drehenden SMBH verursacht wird.
Ein gutes Beispiel für eine aktive Galaxie mit einem relativistischen Jet ist Messier 87 (auch bekannt als Jungfrau A), eine überdimensionale Galaxie, die sich in Richtung des Sternbildes Jungfrau befindet. Diese Galaxie ist die der Erde am nächsten gelegene aktive Galaxie und daher eine der am besten untersuchten. Ursprünglich im Jahr 1781 von Charles Messier entdeckt (der es mit einem Nebel verwechselte), wird es seitdem regelmäßig untersucht. Bis 1918 war sein optischer Jet der erste seiner Art, der beobachtet wurde.
Dank seiner Nähe konnten Astronomen den Jet von Messier 87 akribisch untersuchen – seine Struktur und Plasmageschwindigkeiten kartieren sowie Temperaturen und Teilchendichten in der Nähe des Jetstroms messen. Die Grenzen des Jets wurden im Detail untersucht, wobei die Forscher entdeckten, dass er entlang seiner Länge homogen war und seine Form änderte, je weiter er sich ausdehnte (von parabolisch zu konisch).
All diese Beobachtungen haben es Astronomen ermöglicht, Hypothesen über die Struktur aktiver Galaxien und den Zusammenhang zwischen Veränderungen der Jet-Form und dem Einfluss des Schwarzen Lochs im Galaxienkern zu testen. In diesem Fall machte sich das internationale Forscherteam diese Beziehung zunutze und ermittelte die Masse von M87s SMBH.
Das Team stützte sich auch auf theoretische Modelle, die den Bruch eines Jets vorhersagen, was es ihnen ermöglichte, ein Modell zu erstellen, bei dem die Masse eines SMBH die beobachtete Form des Jets von M87 genau reproduzieren würde. Durch die Messung der Breite des Jets und des Abstands zwischen dem Kern und dem Bruch seiner Form fanden sie außerdem heraus, dass die Jet-Grenze des M87 aus zwei Segmenten mit zwei markanten Kurven besteht.
Am Ende ermöglichte die Kombination aus theoretischen Modellen, Beobachtungen und Computerberechnungen dem Team eine indirekte Messung der Masse und der Spinrate des Schwarzen Lochs. Diese Studie liefert nicht nur ein neues Modell für die Schätzung von Schwarzen Löchern und eine neue Messmethode für Jets, sondern bestätigt auch die Hypothesen, die der Struktur von Jets zugrunde liegen.
Der erste direkte visuelle Beweis des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum von Messier 87 und seines Schattens, erhalten vom EHT. Bildnachweis: EHT-Kollaboration
Im Wesentlichen beschreiben die Ergebnisse des Teams den Jet als einen Fluss magnetisierter Flüssigkeit, dessen Form durch das elektromagnetische Feld darin bestimmt wird. Dies wiederum hängt von Dingen wie der Geschwindigkeit und Ladung der Jet-Partikel, dem elektrischen Strom innerhalb des Jets und der Geschwindigkeit ab, mit der das SMBH Materie aus seiner umgebenden Scheibe akkretiert.
Das Zusammenspiel all dieser Faktoren führt zu dem beobachteten Bruch in der Form eines Jets, der dann verwendet werden kann, um die Masse und die Geschwindigkeit des SMBHs zu extrapolieren. Elena Nokhrina, die stellvertretende Leiterin des an der Studie beteiligten MIPT-Labors und Hauptautorin der Arbeit des Teams, beschreibt die Methode, die sie in der Studie entwickelt haben folgenden Weg :
„Die neue unabhängige Methode zur Abschätzung der Masse und des Spins von Schwarzen Löchern ist das Schlüsselergebnis unserer Arbeit. Obwohl seine Genauigkeit mit der der bestehenden Methoden vergleichbar ist, hat es den Vorteil, dass es uns dem Endziel näher bringt. Nämlich die Verfeinerung der Parameter des Kern-„Motors“, um seine Natur besser zu verstehen.“
Dank der Verfügbarkeit hochentwickelter Instrumente zum Studium von SMBHs (wie dem Event Horizon Telescope) und Weltraumteleskopen der nächsten Generation, die bald in Betrieb gehen werden, wird es nicht lange dauern, bis dieses neue Modell gründlich getestet wird. Ein guter Kandidat wäre Sagittarius A*, das SMBH im Zentrum unserer Galaxie, das auf 3,5 Millionen bis 4,7 Millionen Sonnenmassen geschätzt wird.
Neben genaueren Beschränkungen dieser Masse könnten zukünftige Beobachtungen auch bestimmen, wie aktiv (oder inaktiv) der Kern unserer Galaxie ist. Diese und andere Geheimnisse des Schwarzen Lochs warten auf Sie!