Schwarze Löcher, diese betörenden Singularitäten, die am Abgrund von Bekanntem und Unbekanntem sitzen, überraschen uns immer wieder mit ihrem Verhalten. Als Organisationen wie die Event Horizon Teleskop klargestellt haben, es gibt vieles, was wir über die Löcher nicht wissen, und schlimmer noch, wir wissen nicht einmal, wie viel wir nicht wissen.
Jetzt haben Wissenschaftler ein neues Phänomen beobachtet, das zur Mystik des Schwarzen Lochs beiträgt: ein sich schnell drehendes Schwarzes Loch, das massive Plasmaklumpen ausstößt.
Das fragliche Schwarze Loch ist Teil eines binären Paares namens V404 Cygni. Das Schwarze Loch frisst seinen Begleitstern, saugt seine Masse in seine Akkretionsscheibe und stößt dann Material über zwei Düsen aus. Dies ist für ein Schwarzes Loch nicht ungewöhnlich, obwohl nicht alle von ihnen Jets haben. Ungewöhnlich ist jedoch das Timing des von den Düsen ausgestoßenen Materials. Anstelle eines stetigen Stroms kommt das Material in Klecksen heraus.
V404 Cygni ist etwa 8.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Es wurde erstmals 1989 gesichtet, als es einen enormen Ausbruch von hochenergetischem Material und Strahlung ausstieß. Dann schlief es 26 Jahre lang.
Dann, im Jahr 2015, flammte es wieder auf, und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) konnte es in hochenergetischer Gammastrahlung untersuchen. Es wurde das hellste Objekt am Himmel in Gammastrahlen. Damals sagte der INTEGRAL-Projektwissenschaftler Erik Kuulkers: „Das Verhalten dieser Quelle ist im Moment außergewöhnlich, mit wiederholten hellen Lichtblitzen auf Zeitskalen von weniger als einer Stunde, etwas, das in anderen Schwarzen-Loch-Systemen selten zu sehen ist.'
Was ist passiert?
Es ist nützlich, sich anzusehen, wie schwarze Löcher wie dieses normalerweise funktionieren. Die massive Gravitation des Schwarzen Lochs zieht Material von seinem Begleitstern in seine Akkretionsscheibe. Die Akkretionsscheibe dreht sich, erhitzt das Material und lässt es „glänzen“. Ein Teil des Materials erreicht das Schwarze Loch nie und wird über Jets emittiert.
Künstlerische Darstellung eines sich ernährenden Schwarzen Lochs mit stellarer Masse, das Material von seinem Begleitstern saugt. Durch die Verwirbelung in der Akkretionsscheibe wird das Material erwärmt. Ein Teil des Materials wird durch die beiden Düsen ausgestoßen. Einige Schwarze Löcher schießen Materialstrahlen aus, andere nicht. Bildnachweis: NASA, ESA, Martin Kornmesser (ESA/Hubble)
Schneller Vorlauf bis jetzt und a neue Studie basierend auf Daten, die während des Ausbruchs 2015 von mehreren Observatorien gesammelt wurden, liefert eine Erklärung.
'Während des Ausbruchs beobachteten wir Details der Jet-Emissionen, wenn Material mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Nähe des Schwarzen Lochs ausgestoßen wird“, sagt Simone Migliari, Astrophysikerin bei der ESA und Co-Autorin des Papiers. “Wir können sehen, wie die Jets auf einer Zeitskala von weniger als einer Stunde in verschiedene Richtungen schießen, was bedeutet, dass sich die inneren Bereiche des Systems ziemlich schnell drehen. '
Ja, das Schwarze Loch frisst seinen Begleitstern und saugt das Material in seine Akkretionsscheibe. Und ja, ein Teil des Materials in der Scheibe wird in Düsen ausgestoßen. Laut der Studie geschieht dies jedoch nur stoßweise, weil das Schwarze Loch aus irgendeinem Grund falsch mit seiner eigenen Akkretionsscheibe ausgerichtet ist.
Aus irgendeinem Grund ist das Schwarze Loch in V404 Cygni falsch mit seiner Akkretionsscheibe ausgerichtet. Bildquelle: ICRAR
„Der Unterschied in V404 Cygni ist, dass wir denken, dass die Materialscheibe und das Schwarze Loch falsch ausgerichtet sind.““, sagt Associate Professor James Miller-Jones vom International Center for Radio Astronomy Research (ICRAR) an der Curtin University, Australien, der der Hauptautor des neuen Papiers ist.
'Dies scheint dazu zu führen, dass der innere Teil der Scheibe wie ein Kreisel wackelt, der sich verlangsamt, und das Feuer strahlt in verschiedene Richtungen, wenn es die Ausrichtung ändert. '
Das Wackeln bedeutet, dass Material nicht gleichmäßig in das Schwarze Loch fällt. Ein Ausbruch bedeutet, dass in kurzer Zeit eine große Menge Material in das Loch gefallen ist. Dadurch erhöht sich die Materialmenge in der Akkretionsscheibe, was zu einem Energieausbruch führt.
Das Schwarze Loch von V404 Cygni und die innere Akkretionsscheibe sind mit der äußeren Akkretionsscheibe und ihrem Doppelsternpaar falsch ausgerichtet, was dazu führt, dass die Jets Materialklumpen anstelle von Materialstrahlen mit stetigem Strom ausstoßen. Bildquelle: ICRAR.
INTEGRAL war ein wesentlicher Bestandteil dieser Studie, da es V404 Cygni vier Wochen lang beobachtete. Andere Observatorien konnten nur wenige Stunden beobachten. Die Beobachtungen von INTEGRAL ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Mechanik des Schwarzen Lochs, seine Geometrie und Energieniveaus herauszufinden und die Verbindung zwischen ein- und ausströmendem Material herzustellen.
'Mit INTEGRAL konnten wir V404 Cygni vier Wochen lang ununterbrochen beobachten, während andere Hochenergiesatelliten nur kürzere Schnappschüsse machen konnten“, sagt Erik Kuulkers, INTEGRAL-Projektwissenschaftler bei der ESA.
'Die Röntgendatenein Modell unterstützen, bei demder innere Teil der Akkretionsscheibe ist gegenüber dem Rest des Systems geneigt, wahrscheinlich aufgrund der Neigung des Spins des Schwarzen Lochs gegenüber der Umlaufbahn des Begleitsterns“, erklärt Simone.
Bleibt die Frage, warum ist es falsch ausgerichtet?
Über die Ursache der Fehlausrichtung gibt es nur einige vorläufige Vermutungen. Es könnte sich um eine Supernova gehandelt haben.
Da das Schwarze Loch selbst von einer Supernova erschaffen wurde, kann dieser anfängliche Kick dazu geführt haben, dass das Loch und das innere Segment seiner Akkretionsscheibe falsch ausgerichtet sind. Das zeigen jedenfalls Simulationen.
'Die Ergebnisse würden in ein Szenario passen, das auch in neueren Computersimulationen untersucht wurde, in dem der Akkretionsfluss in der Nähe des Schwarzen Lochs und die Jets gemeinsam rotieren können“, sagt Kuulkers.
'Wir sollten eine ähnliche Dynamik bei jedem stark anziehenden Schwarzen Loch erwarten, dessen Spin mit dem einströmenden Gas falsch ausgerichtet ist, und wir müssen unterschiedliche Jet-Neigungswinkel berücksichtigen, wenn wir Beobachtungen von Schwarzen Löchern im Universum interpretieren. '
Quellen:
- Forschungsbericht: Eine sich schnell ändernde Jet-Orientierung im stellaren Schwarzen-Loch-System VG404 Cygni
- Pressemitteilung: Ein spuckendes Schwarzes Loch
- Jene INTEGRALE Mission
- Pressemitteilung: Monster Black Hole wacht nach 26 Jahren auf
