Schwarze Löcher sind die faszinierendsten und beeindruckendsten Kräfte der Natur. Sie sind auch eine der mysteriösesten, weil die Regeln der konventionellen Physik in ihrer Gegenwart zusammenbrechen. Trotz jahrzehntelanger Forschung und Beobachtungen wissen wir noch viel nicht über sie. Tatsächlich hatten Astronomen bis vor kurzem noch nie ein Bild eines Schwarzen Lochs gesehen und waren nicht in der Lage, ihre Masse einzuschätzen.
Ein Team von Physikern des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MIPT) gab jedoch kürzlich bekannt, dass sie einen Weg gefunden haben, um die Masse eines Schwarzen Lochs indirekt zu messen und gleichzeitig seine Existenz zu bestätigen. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben sie gezeigt, wie sie diese Methode an dem kürzlich abgebildeten supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der aktiven Messier 87-Galaxie getestet haben.
Die Studie erschien in der August-Ausgabe der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Neben Forschern des MIPT gehörten Mitglieder des in den Niederlanden ansässigen Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan und des Mizusawa VLBI Observatory der NOAJ in Japan zum Team.
Seit Jahrzehnten wissen Astronomen, dass die meisten massiven Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) in ihrem Zentrum haben. Das Vorhandensein dieses SMBH führt zu einer beträchtlichen Aktivität im Kern, wo Gas und Staub in eine Akkretionsscheibe fallen und auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die dazu führen, dass sie Licht sowie Radio, Mikrowelle, Röntgen und Gamma emittieren. Strahlenstrahlung.
Bei einigen Galaxien ist die von der Kernregion erzeugte Strahlungsmenge so hell, dass sie das Licht aller Sterne in ihrer Scheibe zusammen überwältigt. Diese sind als AGN-Galaxien (Active Galactic Nuclei) bekannt, da sie aktive Kerne haben und andere Galaxien vergleichsweise „leise“ sind. Ein weiterer verräterischer Hinweis darauf, dass eine Galaxie aktiv ist, sind die langen Strahlen überhitzter Materie, die sich ausdehnen.
Diese „relativistischen 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 darüber, dass sie durch einen bestimmten „motorischen Effekt“ erzeugt werden, der durch ein sich schnell drehendes SMBH verursacht wird.
Ein gutes Beispiel für eine aktive Galaxie mit einem relativistischen Strahl ist Messier 87 (auch bekannt als Virgo A), eine übergroße Galaxie in Richtung der Virgo Constellation. Diese Galaxie ist die der Erde am nächsten gelegene aktive Galaxie und daher eine der am besten untersuchten. Ursprünglich 1781 von Charles Messier entdeckt (der es für einen Nebel hielt), wurde es seitdem regelmäßig untersucht. Bis 1918 war sein optischer Strahl der erste seiner Art, der beobachtet wurde.
Dank seiner Nähe konnten Astronomen den Jet von Messier 87 akribisch untersuchen - indem sie seine Struktur und Plasmageschwindigkeiten abbildeten und Temperaturen und Teilchendichten in der Nähe des Jet-Stroms maßen. Die Grenzen des Jets wurden bis ins kleinste Detail untersucht. Die Forscher stellten fest, dass er entlang seiner Länge homogen war und seine Form veränderte, je weiter er sich ausdehnte (von parabolisch zu konisch).
All diese Beobachtungen haben es Astronomen ermöglicht, Hypothesen bezüglich der Struktur aktiver Galaxien und der Beziehung zwischen Änderungen der Strahlform und dem Einfluss des Schwarzen Lochs im galaktischen Kern zu testen. In diesem Fall nutzte das internationale Forschungsteam diese Beziehung, um die Masse der M87 SMBH zu bestimmen.
Das Team stützte sich auch auf theoretische Modelle, die den Bruch eines Jets vorhersagen. Dadurch konnten sie ein Modell erstellen, bei dem die Masse eines SMBH die beobachtete Form des M87-Jets genau wiedergibt. Bei der Messung der Strahlbreite und des Abstands zwischen dem Kern und dem Bruch seiner Form stellten sie außerdem fest, dass die Strahlgrenze des M87 aus zwei Segmenten mit zwei unterschiedlichen Kurven besteht.
Die Kombination aus theoretischen Modellen, Beobachtungen und Computerberechnungen ermöglichte es dem Team schließlich, eine indirekte Messung der Masse und der Spinrate des Schwarzen Lochs zu erhalten. Diese Studie bietet nicht nur ein neues Modell für die Schätzung von Schwarzen Löchern und ein neues Messmittel für Jets, sondern bestätigt auch die Hypothesen, die der Struktur von Jets zugrunde liegen
Im Wesentlichen beschreiben die Ergebnisse des Teams den Strahl als einen Fluss magnetisierter Flüssigkeit, bei dem die Form durch das darin enthaltene elektromagnetische Feld bestimmt wird. Dies hängt wiederum von der Geschwindigkeit und Ladung der Strahlteilchen, dem elektrischen Strom im Strahl und der Geschwindigkeit ab, mit der das SMBH Materie von seiner umgebenden Scheibe ansammelt.
Das Zusammenspiel all dieser Faktoren führt zu dem beobachteten Bruch in der Form eines Strahls, der dann zur Extrapolation der SMBH-Masse und ihrer Drehgeschwindigkeit verwendet werden kann. Elena Nokhrina, die stellvertretende Leiterin des an der Studie beteiligten MIPT-Labors und Hauptautorin des Teampapiers, beschreibt die von ihnen entwickelte Methode folgendermaßen:
„Die neue unabhängige Methode zur Schätzung der Masse und des Spins von Schwarzen Löchern ist das Hauptergebnis unserer Arbeit. Obwohl seine Genauigkeit mit der der vorhandenen Methoden vergleichbar ist, hat es den Vorteil, dass es uns dem Endziel näher bringt. Verfeinerung der Parameter des Kernmotors, um dessen Natur besser zu verstehen. “
Dank der Verfügbarkeit hochentwickelter Instrumente zur Untersuchung von SMBHs (wie dem Event Horizon Telescope) und Weltraumteleskopen der nächsten Generation, die bald einsatzbereit sein werden, wird es nicht lange dauern, bis dieses neue Modell gründlich getestet ist. Ein guter Kandidat wäre Schütze A *, das SMBH im Zentrum unserer Galaxie, das auf 3,5 bis 4,7 Millionen Sonnenmassen geschätzt wird.
Zukünftige Beobachtungen könnten nicht nur genauere Einschränkungen für diese Masse festlegen, sondern auch bestimmen, wie aktiv (oder inaktiv) der Kern unserer Galaxie ist. Diese und andere Geheimnisse des Schwarzen Lochs warten auf Sie!
