Man geht davon aus, dass supermassereiche Schwarze Löcher aus aufeinanderfolgenden Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstehen, die jeweils einen Drehimpuls mit sich bringen, der die Rotation des Schwarzen Lochs, das sie hervorbringen, beschleunigt. Daher kann die Messung der Drehung supermassereicher Schwarzer Löcher Einblick in ihre Geschichte geben – und eine neue Studie schlägt einen neuen Weg vor, solche Schlussfolgerungen zu ziehen, die auf dem Einfluss rotierender Schwarzer Löcher auf das Gefüge von Raum und Zeit basieren.
Die aufgewühlte Raumzeit und zerstörte Sterne zeigen, wie schnell sich supermassereiche Schwarze Löcher drehen. Die „oszillierenden“ Überreste eines Sterns, der im Rachen eines supermassereichen Schwarzen Lochs einen schrecklichen Tod erlitt, haben dazu beigetragen, die Geschwindigkeit aufzudecken, mit der sein Verschlinger rotiert, berichtet die Zeitschrift Nature.
Der dem Untergang geweihte Stern im Zentrum dieser Studie wurde während eines sogenannten Tidal Disruption Events (TDE) von einem supermassereichen Schwarzen Loch auseinandergerissen. Diese Ereignisse beginnen, wenn ein Stern dem massiven Gravitationseinfluss eines Schwarzen Lochs zu nahe kommt. Sobald er nahe genug kommt, werden im Inneren des Sterns enorme Gezeitenkräfte erzeugt, die ihn horizontal zusammendrücken und vertikal ausdehnen. Man nennt es „Spaghettifizierung“ und es handelt sich um einen Prozess, der einen Stern in einen Strang Sternpaste verwandelt – aber was noch wichtiger ist: Nicht alles davon wird vom zerstörerischen Schwarzen Loch verzehrt.
Ein Teil dieses Materials wird weggeblasen, ein anderer Teil umhüllt das Schwarze Loch und bildet eine abgeflachte Wolke, die Akkretionsscheibe genannt wird. Diese Akkretionsscheibe speist nicht nur nach und nach das zentrale Schwarze Loch, sondern die gleichen Gezeitenkräfte, die den Stern ursprünglich auseinandergerissen haben, erzeugen auch enorme Reibungskräfte, die diese Schüssel aus Gas und Staub aufheizen und sie hell leuchten lassen.
Abbildung zeigt ein rotierendes supermassereiches Schwarzes Loch, das von Trümmern eines toten Sterns umgeben ist und die Raumzeit mit sich zieht (grünes Gitter)
Darüber hinaus ziehen supermassive Schwarze Löcher, wenn sie sich drehen, das eigentliche Gefüge der Raumzeit (die vierdimensionale Einheit von Raum und Zeit) mit sich. Dieser „Lense-Thirring“-Effekt oder „Frame-Dragging-Effekt“ bedeutet, dass am Rand eines rotierenden supermassereichen Schwarzen Lochs nichts stillsteht. Der Effekt verursacht auch ein kurzes „Wackeln“ in der neu gebildeten Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs.
Ein Forscherteam hat herausgefunden, dass das „Wackeln“ dieser Akkretionsscheibe genutzt werden kann, um die Rotationsrate des zentralen Schwarzen Lochs zu bestimmen. Der Frame-Dragging-Effekt ist bei allen rotierenden Schwarzen Löchern vorhanden. Wenn sich das zerstörerische Schwarze Loch dreht, unterliegt der Strom von Sterntrümmern auf das Schwarze Loch nach der TDE diesem Effekt.
Für die TDE- und Frame-Dragging-Studie suchte das Team fünf Jahre lang nach hellen und relativ nahen Beispielen für das Aufbrechen von Sternen, die durch Schwarze Löcher verursacht wurden und schnell verfolgt werden konnten. Ziel war es, Anzeichen einer Akkretionsscheibenpräzession zu erkennen, die durch den Lense-Thirring-Effekt verursacht wird.
Im Februar 2020 war diese Suche erfolgreich. Das Team konnte AT2020ocn entdecken, einen hellen Lichtblitz, der von einer etwa eine Milliarde Lichtjahre entfernten Galaxie stammt. AT2020ocn wurde ursprünglich bei optischen Wellenlängen von der Zwicky Transient Facility entdeckt. Diese Daten des sichtbaren Lichts deuten darauf hin, dass die Emission von einem TDE stammte, an dem ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse zwischen 1 Million und 10 Millionen Sonnenmassen beteiligt war.
Aufgrund des Lense-Thirring-Effekts präzediert oder „oszilliert“ die von der neu gebildeten heißen Akkretionsscheibe ausgehende Röntgenemission. Dies erscheint als Röntgenmodulationen in den Daten. Nach einiger Zeit jedoch, wenn die Akkretionsleistung abnimmt, zwingt die Schwerkraft die Scheibe dazu, sich auf das Schwarze Loch auszurichten, woraufhin das Wackeln und die Röntgenmodulationen aufhören.
Eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das aufgrund einer Gezeitenstörung einen Stern auseinanderreißt. Ein Bild eines rotierenden Schwarzen Lochs, das die Raumzeit mit sich zieht. ESA/C. Carreau/Robert Lea
Der TDE, der AT2020ocn auslöste, könnte ein ideales Ereignis sein, um nach der Lense-Thirring-Präzession zu suchen, und da diese Art von Wackeln nur in den frühen Stadien der Akkretionsscheibenbildung auftritt, mussten sie schnell handeln.
Die einzige Möglichkeit zur Beobachtung besteht darin, dass man, sobald eine Gezeitenstörung auftritt, das Teleskop dazu zwingen muss, das Objekt über einen sehr langen Zeitraum ununterbrochen zu betrachten, um alle möglichen Zeitskalen zu untersuchen, von Minuten bis hin zu Monaten.
Hier kommt der Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) der NASA ins Spiel: ein Röntgenteleskop auf der Internationalen Raumstation (ISS), das Röntgenemissionen um Schwarze Löcher und andere ultradichte, kompakte massive Objekte wie Neutronensterne misst . Das Team stellte fest, dass NICER nicht nur in der Lage war, die TDE zu erfassen, sondern dass das auf der ISS montierte Röntgenteleskop auch in der Lage war, das Ereignis über mehrere Monate hinweg kontinuierlich zu überwachen.
Die Röntgenhelligkeit und -temperatur der röntgenemittierenden Region nach TDE werden auf einer Zeitskala von 15 Tagen moduliert. Dieses sich wiederholende 15-Tage-Röntgensignal verschwindet nach drei Monaten.
Auch die Ergebnisse der Studie kamen überraschend.
Schätzungen der Masse des Schwarzen Lochs und der Masse des zerstörten Sterns zeigten, dass sich das Schwarze Loch nicht so schnell dreht wie erwartet. Das Schwarze Loch dreht sich nicht so schnell – nur weniger als 25 % der Lichtgeschwindigkeit.
Dank des derzeit im Bau befindlichen Vera K. Rubin-Observatoriums im Norden Chiles, das eine zehnjährige Untersuchung des Universums namens Legacy Survey of Space and Time (LSST) durchführen wird, wird erwartet, dass die Jagd nach TDE eine glänzende Zukunft hat . Rubin wird im nächsten Jahrzehnt Tausende von TDEs entdecken. Wenn wir die Lense-Thirring-Präzession auch nur eines kleinen Teils von ihnen messen können, können wir etwas über die Spinverteilung supermassiver Schwarzer Löcher sagen, die damit zusammenhängt, wie sie sich im Laufe des Zeitalters des Universums entwickelt haben.
In dichten „Geburtsnestern“ können sich schwer fassbare, mittelgroße Schwarze Löcher bilden. Modellierungen haben gezeigt, dass Schwarze Löcher mit Massen zwischen 100 und 10.000 Sonnenmassen als Ergebnis einer chaotischen Kette von Sternkollisionen entstehen können, berichtet das Magazin Science.
Forscher haben herausgefunden, dass sich schwer fassbare Schwarze Löcher mittlerer Masse in dichten Sternhaufen bilden können, die Zehntausende bis Millionen dicht gepackter Sterne enthalten, die als „Kugelsternhaufen“ bezeichnet werden.
Ein Schwarzes Loch mittlerer Masse hat eine Masse zwischen 100 und 10.000 Sonnen. Sie sind schwerer als Schwarze Löcher mit Sonnenmasse, deren Masse zwischen 10 und 100 Sonnenmassen liegt, aber leichter als supermassereiche Schwarze Löcher, deren Massen Millionen oder sogar Milliarden Sonnen entsprechen.
Diese kosmischen Zwischenobjekte haben sich für Astronomen als schwer fassbar erwiesen; das erste Beispiel wurde 2012 entdeckt. Es trägt die Bezeichnung GCIRS 13E, hat die 1.300-fache Masse der Sonne und befindet sich 26.000 Lichtjahre entfernt, in Richtung des galaktischen Zentrums der Milchstraße.
Eines der Geheimnisse rund um Schwarze Löcher mittlerer Masse betrifft ihre Entstehung. Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn massereiche Sterne kollabieren, und supermassive Schwarze Löcher entstehen durch die anschließende Verschmelzung immer größerer Schwarzer Löcher. Allerdings muss ein Stern, der massiv genug ist, um zu sterben und ein Schwarzes Loch mit Tausenden von Sonnenmassen zu erzeugen, unglaublich selten sein und darum kämpfen, diese Masse aufrechtzuerhalten, während er „stirbt“.
Der Kugelsternhaufen Messier 92 liegt 27.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Herkules. ESA/NASA/Hubble
Um das Rätsel zu lösen, wie diese Schwarzen Löcher mittlerer Masse entstehen, führte ein Forscherteam die allerersten Sternsimulationen massiver Sternhaufen durch. Dies zeigte, dass ein ausreichend dichtes Molekülwolken-„Mutterschaftsnest“ aus Kugelsternhaufen Sterne erzeugen kann, die massiv genug sind, um zu kollabieren und ein Schwarzes Loch mittlerer Masse hervorzubringen.
„Frühere Beobachtungen deuteten darauf hin, dass einige massereiche Sternhaufen, Kugelsternhaufen, ein Schwarzes Loch mittlerer Masse enthalten“, sagte Teamleiterin und Wissenschaftlerin der Universität Tokio, Michiko Fujii, in einer Erklärung. „Bisher gab es keine überzeugenden theoretischen Beweise für die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse mit einer Masse zwischen 1.000 und 10.000 Sonnenmassen im Vergleich zu weniger massereichen (Sternmasse) und massereicheren (supermassiven) Löchern.“
Der Begriff „Entbindungsnest“ mag zwar Bilder und Gefühle von Wärme, Geborgenheit und Ruhe hervorrufen, aber er könnte nicht weniger treffend sein, um die Sternentstehung in Kugelsternhaufen zu beschreiben. Diese dicht gepackten Sternkonglomerate leben in Chaos und Verwirrung, wobei Dichteunterschiede dazu führen, dass die Sterne kollidieren und verschmelzen. Dieser Prozess führt dazu, dass Sterne Masse ansammeln, wodurch ihr gravitativer Einfluss zunimmt, mehr Sterne in ihre Nähe gezogen werden und somit immer mehr Verschmelzungen entstehen.
Außer Kontrolle geratene Kollisions- und Verschmelzungsprozesse, die im Kern von Kugelsternhaufen auftreten, können Sterne mit einer Masse erzeugen, die etwa 1000 Sonnen entspricht. Diese Masse reicht aus, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse zu erzeugen, aber es gibt ein Hindernis.
Astrophysiker wissen, dass beim Kollaps von Sternen zu Schwarzen Löchern ein Großteil ihrer Masse durch Supernova-Explosionen oder Sternwinde weggeblasen wird. Frühere Simulationen der Bildung von Schwarzen Löchern mittlerer Masse haben dies bestätigt und legen weiterhin nahe, dass selbst massereiche Sterne mit einer Masse von 1.000 Sonnenmassen zu klein wären, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse zu erzeugen.
Das als Ergebnis einer Supercomputersimulation gewonnene Bild zeigt die Bildung eines Harzclusters in einer riesigen Molekülwolke. Michiko Fuji und Takaaki Takeda, 2024
Um herauszufinden, ob ein massereicher Stern mit genügend Masse überleben kann, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse hervorzubringen, simulierten Fujii und sein Team die Entstehung eines Kugelsternhaufens.
„Wir haben erfolgreich numerische Simulationen der Kugelsternhaufenbildung durchgeführt, indem wir zum ersten Mal einzelne Sterne simuliert haben“, sagte Fujii. „Durch die Auflösung einzelner Sterne mit realistischen Massen für jeden konnten wir Sternkollisionen in einer dicht gepackten Umgebung rekonstruieren. Für diese Simulationen haben wir neuen Simulationscode entwickelt, in den wir Millionen von Sternen mit hoher Genauigkeit integrieren konnten.“
Im simulierten Kugelsternhaufen entstanden durch außer Kontrolle geratene Kollisionen und Verschmelzungen extrem massereiche Sterne, die genug Masse behalten konnten, um zu kollabieren und ein Schwarzes Loch mittlerer Masse entstehen zu lassen.
Das Team fand außerdem heraus, dass die Simulation das Massenverhältnis zwischen einem Schwarzen Loch mittlerer Masse und dem Kugelsternhaufen, in dem es entsteht, vorhersagte. Es stellt sich heraus, dass dieser Zusammenhang mit tatsächlichen astronomischen Beobachtungen übereinstimmt.
„Unser ultimatives Ziel ist es, ganze Galaxien zu simulieren“, erklärte Fujii. „Es bleibt schwierig, Galaxien von der Größe der Milchstraße zu simulieren, indem man einzelne Sterne mit derzeit verfügbaren Supercomputern untersucht. Allerdings wäre es möglich, kleinere Galaxien, etwa Zwerggalaxien, zu modellieren.“
Fujii und ihr Team wollen auch Sternhaufen ins Visier nehmen, die im frühen Universum entstanden sind. „Die ersten Cluster sind auch Orte, an denen Schwarze Löcher mittlerer Masse entstehen können“, sagte sie.
Verschwinden Sterne in ihren eigenen Schwarzen Löchern? Wissenschaftler haben überzeugende Beweise dafür gefunden, dass einige massereiche Sterne ihr Leben beenden, indem sie in ein selbstgemachtes Schwarzes Loch stürzen, ohne das Licht oder die Wut einer Supernova, berichtet die Zeitschrift Physical Review Letters.
Sterne erzeugen Energie durch Kernfusionsprozesse in ihren Kernen, bei denen sie Wasserstoff in Helium umwandeln. Wenn Sternen, die mindestens die achtfache Masse unserer Sonne haben, dieser Wasserstoffvorrat ausgeht, beginnen sie Fusionsreaktionen mit anderen Elementen – Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff usw., bis sie einen inerten Eisenkern haben mehr Energie für eine Fusionsreaktion, als sie erzeugen kann. In diesem Stadium stoppen die Fusionsreaktionen und die Energieproduktion, die den Stern zusammenhält, verdampft. Plötzlich übernimmt die Schwerkraft die Kontrolle und lässt den Kern kollabieren, während die äußeren Schichten des Sterns vom kollabierenden Kern abprallen und nach außen explodieren – wodurch eine Supernova entsteht, die innerhalb weniger Wochen manchmal heller leuchten kann als eine ganze Galaxie.
Mittlerweile bildet der kollabierende Kern ein kompaktes Objekt. Dieses Objekt ist oft ein rotierender Neutronenstern, der Pulsar genannt wird, aber unter bestimmten Bedingungen kann es sich auch um ein Schwarzes Loch mit Sternmasse handeln. Dies ist die Standardgeschichte stellarer Zeitlinien. Allerdings beginnen Astronomen jetzt zu glauben, dass einige Sterne, die Schwarze Löcher erzeugen, dies möglicherweise tun, ohne zur Supernova zu werden.
Forscher haben gelegentlich Fälle von gescheiterten Supernovae bemerkt – Sterne, die zunächst so leuchten, als ob sie gleich explodieren würden, dann aber immer mehr verblassen. An anderer Stelle haben Untersuchungen alter Fotoplatten im Rahmen des von Beatriz Villarroel geleiteten VASCO-Projekts (Vanishing and Appearing Objects in a Century of Observations) Dutzende Sterne auf diesen alten Platten entdeckt, die einfach nicht mehr sichtbar sind; als wären sie spurlos verschwunden.
Könnten diese gescheiterten Supernovae und verschwindenden Sterne ein Beweis dafür sein, dass Sterne fast vollständig in das Schwarze Loch gesaugt werden, das sie bilden, bevor sie explodieren können? Nun, vielleicht denken einige Wissenschaftler.
„Wenn man einen sichtbaren Stern beobachten würde, der gerade im richtigen Moment zusammenbricht, könnte es so sein, als würde der Stern plötzlich erlöschen und vom Himmel verschwinden“, sagte Alejandro Viña-Gomez vom Institut für Astrophysik in Deutschland in einer Stellungnahme. „Astronomen haben in letzter Zeit tatsächlich das plötzliche Verschwinden hell leuchtender Sterne beobachtet.“
Künstlerische Darstellung von VFTS 243, einschließlich eines massiven Sterns und eines Schwarzen Lochs. ESO/L. Calçada
Obwohl diese Idee nur eine Theorie bleibt, gibt es mittlerweile starke Belege in Form eines seltsamen Binärsystems, das von Viña-Gómez und seinem Team untersucht wurde. Das System mit der Bezeichnung VFTS 243 wurde 2022 entdeckt und befindet sich im Tarantelnebel, der in der Großen Magellanschen Wolke liegt; Es enthält einen Stern mit 25 Sonnenmassen und ein Schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen, die von einem massereichen Stern erzeugt worden sein müssen, der nach kosmischen Maßstäben erst vor relativ kurzer Zeit das Ende seines Lebens erreicht hat.
„VFTS 243 ist ein ungewöhnliches System“, sagte Viña-Gomez. „Obwohl VFTS 243 einen Stern enthält, der in ein Schwarzes Loch kollabiert ist, wurden nirgendwo Hinweise auf eine Explosion gefunden.“
Beispielsweise sind die Umlaufbahnen des Sterns und des Schwarzen Lochs in VFTS 243 um ihren gemeinsamen Massenschwerpunkt immer noch nahezu kreisförmig. Supernova-Explosionen sind jedoch asymmetrisch, wobei in die eine Richtung etwas mehr Energie erzeugt wird als in die andere, was dem kompakten Objekt einen „Geburtskick“ verleihen sollte. Ein solcher Schub würde das kompakte Objekt beschleunigen und dazu führen, dass sich seine Umlaufbahn ausdehnt und länger wird. Dieser Stoß beträgt typischerweise 30 bis 100 Kilometer (19 bis 62 Meilen) pro Sekunde, aber das Schwarze Loch in VFTS 243 erhielt höchstens einen Stoß von vier Kilometern (2,5 Meilen) pro Sekunde.
Die Auswirkungen von Geburtsschocks wurden zuvor bei Pulsaren beobachtet, jedoch noch nie zuvor bei Schwarzen Löchern mit Sternmasse. Möglicherweise verrät uns dies etwas darüber, wie Schwarze Löcher mit Sternmasse entstehen, und VFTS 243 bietet den bisher klarsten Einblick in die Ergebnisse dieses Prozesses.
Geburtsbeben sind das Ergebnis von drei Dingen: dem Ausschleudern von Trümmern aus dem explodierenden Stern, der Emission von Neutrinos aus dem Kern des kollabierenden Sterns und Gravitationswellen. Wenn es jedoch keine Supernova gäbe, gäbe es keine Trümmer, sondern nur Neutrinos und Gravitationswellen, die für einen viel geringeren Schub sorgen würden – was wir in VFTS 243 sehen.
Wenn das wahr ist, bedeutet das, dass viele der massereichsten Sterne im Universum, die so hell leuchten, ihr Leben in stiller Dunkelheit beenden, während sie von einem Schwarzen Loch in die Vergessenheit gesaugt werden. Dies könnte auch das endgültige Schicksal des überlebenden Sterns in VFTS 243 sein, wenn er das Ende seines Lebens erreicht.
Es gibt auch weitreichendere Auswirkungen. Eine Supernova-Explosion ist eine Fabrik der Elemente. Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff aus den äußeren Schichten eines sterbenden Sterns werden nicht nur in den Weltraum freigesetzt, wo sie in der nächsten Generation von Sternen und Planeten recycelt werden können, sondern auch die intensive Hitze und Energie einer Supernova-Schockwelle kann dazu führen die Bildung noch schwererer Elemente in Supernova-Trümmern. Einer der Gründe, warum Supernovae beispielsweise so hell und so lange leuchten, ist, dass beim radioaktiven Zerfall der bei der Explosion entstehenden Nickelisotope Kobalt und Eisen entstehen.
Wenn jedoch einige massereiche Sterne ohne Supernova-Explosionen vollständig zu Schwarzen Löchern kollabieren, können sie nicht zur Entstehung und Verarbeitung von Elementen beitragen. Daher müssen Kosmochemiker dieses Konzept, sofern es tatsächlich richtig ist, in ihre Modelle zur Bildung und Verteilung von Elementen im Raum integrieren. Erst dann können sie beginnen, die chemische Entwicklung von Galaxien, einschließlich unserer, vollständig zu verstehen und wie schnell sich die notwendigen Elemente ansammeln können, um Planeten wie die Erde zu bilden, vielleicht sogar mit eigenem Leben, das aus Elementen explodierender Sterne entsteht.
Wissenschaftler haben zum ersten Mal bestätigt, dass das Gefüge der Raumzeit selbst am Rande eines Schwarzen Lochs einen „letzten Sprung“ macht. Die Beobachtung dieser sich schnell bewegenden Region um Schwarze Löcher wurde von Astrophysikern der Physikabteilung der Universität Oxford durchgeführt und trug dazu bei, eine wichtige Vorhersage von Albert Einsteins Gravitationstheorie von 1915 zu bestätigen: die allgemeine Relativitätstheorie, berichtet die Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Das Oxford-Team machte die Entdeckung, indem es sich auf die Regionen konzentrierte, die Schwarze Löcher mit Sternmasse in Doppelsternsystemen umgeben, deren Begleitsterne sich relativ nahe an der Erde befinden. Die Forscher verwendeten Röntgendaten, die von verschiedenen Weltraumteleskopen gesammelt wurden, darunter dem Nuclear Spectroscopic Telescope (NuSTAR) der NASA und dem Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der Internationalen Raumstation.
Mithilfe dieser Daten konnten sie das Schicksal des heißen ionisierten Gases und Plasmas bestimmen, das aus dem Begleitstern herausgerissen wurde und zum letzten Mal am äußersten Rand des zugehörigen Schwarzen Lochs abstürzte. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Tauchregionen rund um das Schwarze Loch einige der stärksten Gravitationseinflusspunkte beherbergen, die jemals in unserer Milchstraße beobachtet wurden.
„Dies ist der erste Blick darauf, wie vom äußeren Rand eines Sterns gerissenes Plasma seinen endgültigen Fall in die Mitte eines Schwarzen Lochs erfährt, ein Prozess, der in einem etwa 10.000 Lichtjahre entfernten System abläuft“, sagte Teamleiter und Physiker der Universität Oxford Andrew Mummery in einer Erklärung. „Einsteins Theorie sagte voraus, dass dieser endgültige Zusammenbruch stattfinden würde, aber dies ist das erste Mal, dass wir nachweisen konnten, dass es dazu kommt.“
Ein „gewöhnlicher“ Stern befindet sich in einem Doppelsternsystem mit einem Schwarzen Loch, dessen Masse vom ersten zum zweiten folgt. ICRAR
„Stellen Sie sich einen Fluss vor, der sich in einen Wasserfall verwandelt – bisher haben wir auf den Fluss geschaut. Dies ist unser erster Blick auf den Wasserfall.“
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit Masse dazu führen, dass sich das Gefüge von Raum und Zeit, kombiniert in einer einzigen vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“, verbiegt. Durch die resultierende Krümmung entsteht die Schwerkraft.
Obwohl die Allgemeine Relativitätstheorie in 4D funktioniert, kann sie mit einer groben 2D-Analogie vage veranschaulicht werden. Stellen Sie sich vor, Sie platzieren Kugeln mit zunehmender Masse auf einer gespannten Gummiplatte. Ein Golfball hinterlässt eine winzige, kaum wahrnehmbare Delle; ein Cricketball hinterlässt eine große Delle; und die Bowlingkugel ist eine riesige Delle. Dies ist analog dazu, wie Monde, Planeten und Sterne in die 4D-Raumzeit „dringen“. Mit zunehmender Masse eines Objekts nimmt auch die Krümmung zu, die es verursacht, und damit auch sein Einfluss auf die Schwerkraft. Das Schwarze Loch wird auf dieser ähnlichen Gummiplatte wie eine Kanonenkugel aussehen.
Bei Massen, die Dutzenden oder sogar Hunderten von Sonnen entsprechen und in der Nähe der Erde in ihrer Breite komprimiert sind, können die Krümmung der Raumzeit und der Gravitationseinfluss von Schwarzen Löchern mit Sternmasse ziemlich extrem werden. Supermassive Schwarze Löcher hingegen sind eine ganz andere Geschichte. Sie sind extrem massereich, mit Massen, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entsprechen, und stellen sogar ihre Gegenstücke mit Sternmasse in den Schatten.
Um auf die Allgemeine Relativitätstheorie zurückzukommen, schlug Einstein vor, dass diese Krümmung der Raumzeit zu einer anderen interessanten Physik führt. Er sagte zum Beispiel, dass es einen Punkt direkt hinter dem Rand eines Schwarzen Lochs geben muss, an dem Teilchen keiner kreisförmigen oder stabilen Umlaufbahn folgen können. Stattdessen strömt Materie, die in diese Region eindringt, mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit auf das Schwarze Loch zu.
Die Abbildung zeigt ein Schwarzes Loch, das eine „eintauchende“ Verzerrung in der Raumzeit verursacht. Robert Lee
Das Verständnis der Physik der Materie in dieser hypothetischen Region des sinkenden Schwarzen Lochs ist seit einiger Zeit ein Ziel der Astrophysiker. Um dieses Problem zu lösen, untersuchte das Oxford-Team, was passiert, wenn Schwarze Löcher in einem Doppelsternsystem mit einem „normalen“ Stern existieren.
Wenn die beiden Sterne nahe genug sind oder wenn der Stern leicht aufgeblasen ist, kann die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs das Sternmaterial herausziehen. Da dieses Plasma einen Drehimpuls hat, kann es nicht direkt auf das Schwarze Loch fallen – stattdessen bildet es eine abgeflachte, rotierende Wolke um das Schwarze Loch, die Akkretionsscheibe genannt wird.
Von dieser Akkretionsscheibe fließt nach und nach Materie in das Schwarze Loch. Nach Modellen der Schwarzlochspeisung sollte es einen Punkt geben, der als innere stabile Kreisbahn (ISCO) bezeichnet wird – der letzte Punkt, an dem Materie in der Akkretionsscheibe stabil rotieren kann. Jegliche Materie darüber hinaus befindet sich in der „Abtauchregion“ und beginnt ihren unvermeidlichen Abstieg in den Schlund des Schwarzen Lochs. Die Debatte darüber, ob diese sinkende Region jemals entdeckt werden könnte, wurde beigelegt, als das Oxford-Team Emissionen von ISCO-Akkretionsscheiben um ein binäres Schwarzes Loch in der Milchstraße namens MAXI J1820+070 entdeckte.
Die Schwarze-Loch-Komponente von MAXI J1820+070 befindet sich etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und hat eine Masse von etwa acht Sonnen. Sie saugt Material von ihrem Sternbegleiter auf und schießt gleichzeitig zwei Jets mit etwa 80 % der Lichtgeschwindigkeit aus; es erzeugt auch starke Röntgenstrahlen.
Das Team fand heraus, dass sich das Röntgenspektrum von MAXI J1820+070 im „weichen Zustand“ des Ausbruchs befindet, bei dem es sich um Emissionen der Akkretionsscheibe handelt, die das rotierende Kerr-Schwarze Loch umgibt – die gesamte Akkretionsscheibe, einschließlich der untergetauchten Region.
Die Forscher sagen, dass dieses Szenario den ersten zuverlässigen Nachweis von Strahlung aus einer subduzierenden Region am inneren Rand der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs darstellt; Sie nennen solche Signale „Intra-ISCO-Emissionen“. Diese Intra-ISCO-Emissionen bestätigen die Genauigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie bei der Beschreibung der Regionen, die Schwarze Löcher unmittelbar umgeben.
Um diese Forschung fortzusetzen, arbeitet ein separates Team des Oxforder Department of Physics mit der European African Millimeter Telescope Initiative zusammen. Dieses Teleskop soll die Fähigkeit der Wissenschaftler erweitern, Schwarze Löcher direkt abzubilden, und es ihnen ermöglichen, die Subduktionsregionen weiter entfernter Schwarzer Löcher zu untersuchen.
„Was wirklich aufregend ist, ist, dass es in der Galaxie viele Schwarze Löcher gibt und wir jetzt über eine leistungsstarke neue Methode verfügen, um sie zur Untersuchung der stärksten bekannten Gravitationsfelder zu nutzen“, schloss Mummery.
Physiker betrachten Schwarze Löcher als eines der mysteriösesten Objekte, die es gibt. Ironischerweise gelten sie auch als eine der einfachsten. Seit Jahren versuchen Physiker zu beweisen, dass Schwarze Löcher komplexer sind, als sie scheinen.
Forschungen in den 1970er Jahren zeigen, dass es möglich ist, ein Schwarzes Loch anhand von nur drei physikalischen Attributen umfassend zu beschreiben – seiner Masse, Ladung und Spin. Alle anderen Eigenschaften dieser massereichen sterbenden Sterne, wie etwa ihre detaillierte Zusammensetzung, Dichte und Temperaturprofile, verschwinden, wenn sie sich in ein Schwarzes Loch verwandeln. So einfach sind sie.
Die Idee, dass Schwarze Löcher nur drei Eigenschaften haben, wird als No-Hair-Theorem bezeichnet und impliziert, dass sie keine der haarigen Eigenschaften haben, die sie komplex machen.
Seit Jahrzehnten nutzen Forscher in der Astrophysik-Community Schlupflöcher oder Problemumgehungen innerhalb der Annahmen des No-Hair-Theorems, um potenzielle „Hairy“-Szenarien für Schwarze Löcher zu entwickeln. Ein haariges Schwarzes Loch hat eine physikalische Eigenschaft, die Wissenschaftler im Prinzip messen können und die über seine Masse, Ladung oder seinen Spin hinausgeht. Diese Eigenschaft muss ein dauerhafter Bestandteil seiner Struktur sein.
Vor etwa einem Jahrzehnt zeigte Stefanos Aretakis, heute Physiker an der University of Toronto, mathematisch, dass ein Schwarzes Loch mit der maximalen Ladung, die es aufnehmen kann – ein sogenanntes extrem geladenes Schwarzes Loch – „Haare“ an seinem Horizont entwickeln wird. Der Horizont eines Schwarzen Lochs ist eine Grenze, über die nichts, was ihn durchdringt, nicht einmal Licht, hinausgehen kann.
Die Raumsonde LISA beobachtet Gravitationswellen einer entfernten Quelle, während sie die Sonne umkreisen. Simon Bark/University of Florida, CC BY
Die Analyse von Aretakis war eher ein Gedankenexperiment mit einem stark vereinfachten physikalischen Szenario, sodass Wissenschaftler nicht erwarten würden, dies astrophysikalisch zu beobachten. Aber aufgeladene Schwarze Löcher sind möglicherweise nicht die einzige Art, die Haare haben kann.
Da astrophysikalische Objekte wie Sterne und Planeten bekanntermaßen rotieren, gehen Wissenschaftler davon aus, dass auch Schwarze Löcher aufgrund ihrer Entstehung rotieren. Astronomische Daten haben gezeigt, dass Schwarze Löcher tatsächlich einen Spin haben, obwohl Forscher nicht wissen, wie hoch der typische Spinwert für ein astrophysikalisches Schwarzes Loch ist.
Eine Gravitationswelle ist eine winzige Störung in der Raumzeit, die normalerweise durch heftige astrophysikalische Ereignisse im Universum verursacht wird. Kollisionen kompakter astrophysikalischer Objekte wie Schwarzer Löcher und Neutronensterne senden starke Gravitationswellen aus. Ein internationales Netzwerk von Gravitationswellenobservatorien, darunter das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in den Vereinigten Staaten, erkennt diese Wellen regelmäßig.
Illustration eines supermassereichen Schwarzen Lochs. NASA/JPL
Im Januar 2024 hat die Europäische Weltraumorganisation offiziell die LISA-Mission (Laser Interferometer Space Array) angenommen, die nach Gravitationswellen suchen soll. Der Start ist für 2035 geplant. LISA besteht aus drei Raumfahrzeugen, die in einem perfekten gleichseitigen Dreieck angeordnet sind und der Erde um die Sonne folgen. Die Raumsonden werden 1,6 Millionen Meilen (2,5 Millionen Kilometer) voneinander entfernt sein und Laserstrahlen austauschen, um den Abstand zueinander auf einen Milliardstel Zoll genau zu messen.
LISA wird Gravitationswellen von supermassiven Schwarzen Löchern erkennen, die Millionen oder sogar Milliarden Mal massereicher sind als unsere Sonne. Es wird die Raumzeit um rotierende Schwarze Löcher kartieren und Physikern dabei helfen, mit beispielloser Präzision zu verstehen, wie die Schwerkraft in der unmittelbaren Umgebung von Schwarzen Löchern wirkt. Die Physiker hoffen, dass LISA auch die schwierigen Eigenschaften von Schwarzen Löchern messen kann.
Haben Sie sich jemals gefragt, was passiert, wenn Sie in ein Schwarzes Loch fallen? Dank einer atemberaubenden neuen Visualisierung, die auf dem Supercomputer der NASA erstellt wurde, können Betrachter nun in den Ereignishorizont eintauchen, den Punkt, an dem es kein Zurück mehr eines Schwarzen Lochs gibt.
„Die Leute fragen oft danach, und die Modellierung dieser schwer vorstellbaren Prozesse hilft mir, die Mathematik der Relativitätstheorie mit realen Konsequenzen im realen Universum zu verbinden“, sagte Jeremy Schnittman, Astrophysiker am Goddard Space Flight Center in Greenbelt. Maryland, der die Visualisierungen erstellt hat. „Also habe ich zwei verschiedene Szenarien simuliert: eines, in dem die Kamera – der Stellvertreter des mutigen Astronauten – einfach den Ereignishorizont verfehlt und zurückprallt, und ein anderes, in dem sie die Grenze überschreitet und so ihr Schicksal besiegelt.“
Visualisierungen sind in verschiedenen Formen verfügbar. Erklärvideos fungieren als Reiseführer und verdeutlichen die seltsamen Auswirkungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Versionen, die als 360-Grad-Videos präsentiert werden, ermöglichen es den Zuschauern, sich während der Fahrt umzusehen, während andere als flache Karten des gesamten Himmels dargestellt werden.
Um die Visualisierungen zu erstellen, arbeitete Schnittman mit seinem Goddard-Wissenschaftler Brian Powell zusammen und nutzte den Discover-Supercomputer im Climate Modeling Center der NASA. Das Projekt erzeugte etwa 10 Terabyte an Daten – das entspricht etwa der Hälfte des geschätzten Textinhalts in der Library of Congress – und dauerte etwa fünf Tage, um auf nur 0,3 % der 129.000 Prozessoren von Discover zu laufen. Für die gleiche Leistung würde ein normaler Laptop mehr als ein Jahrzehnt brauchen.
Das Ziel ist ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse, die 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die Masse unserer Sonne, was dem Monster im Zentrum unserer Milchstraße entspricht.
„Wenn man die Wahl hat, möchte man in ein supermassereiches Schwarzes Loch fallen“, erklärte Schnittman. „Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die bis zu 30 Sonnenmassen enthalten, haben viel kleinere Ereignishorizonte und stärkere Gezeitenkräfte, die ankommende Objekte auseinanderreißen können, bevor sie den Horizont erreichen.“
Dies liegt daran, dass die Anziehungskraft am Ende des Objekts, das näher am Schwarzen Loch liegt, viel stärker ist als am anderen Ende. Fallende Gegenstände werden wie Nudeln in die Länge gezogen, ein Vorgang, den Astrophysiker als „Spaghettifizierung“ bezeichnen.
Der Ereignishorizont des simulierten Schwarzen Lochs erstreckt sich über etwa 25 Millionen Kilometer oder etwa 17 % der Entfernung von der Erde zur Sonne. Eine flache, wirbelnde Wolke aus heißem, glühendem Gas, Akkretionsscheibe genannt, umgibt sie und dient als visuelles Zeichen für ihren Fall. Dies gilt auch für leuchtende Strukturen, sogenannte Photonenringe, die sich durch Licht, das es einmal oder mehrmals umkreist hat, näher am Schwarzen Loch bilden. Ein Hintergrund aus Sternenhimmel, der von der Erde aus sichtbar ist, rundet die Szene ab.
Während sich die Kamera dem Schwarzen Loch nähert und Geschwindigkeiten erreicht, die immer näher an der Lichtgeschwindigkeit liegen, nimmt die Tonhöhe des Leuchtens der Akkretionsscheibe und der Sterne im Hintergrund zu, ähnlich wie das Geräusch eines sich nähernden Rennwagens an Tonhöhe zunimmt. Ihr Licht erscheint in Fahrtrichtung gesehen heller und weißer.
Die Filme beginnen mit der Kamera in einer Entfernung von fast 400 Millionen Meilen (640 Millionen Kilometern), während ein Schwarzes Loch schnell das Sichtfeld füllt. Unterwegs werden die Scheibe, die Photonenringe und der Nachthimmel des Schwarzen Lochs zunehmend verzerrt – und es entstehen sogar mehrere Bilder, während ihr Licht die zunehmend gekrümmte Raumzeit durchquert.
In Echtzeit erreicht die Kamera in etwa drei Stunden den Ereignishorizont und macht dabei fast zwei volle 30-minütige Umdrehungen. Aber für jeden Beobachter aus der Ferne wird sie nie dort ankommen. Während die Raumzeit näher am Horizont zunehmend verzerrt wird, wird das Kamerabild langsamer und scheint dann direkt vor ihm einzufrieren. Aus diesem Grund nannten Astronomen Schwarze Löcher ursprünglich „gefrorene Sterne“.
Am Ereignishorizont fließt sogar die Raumzeit selbst mit Lichtgeschwindigkeit, der kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung, nach innen. Im Inneren rasen sowohl die Kamera als auch die Raumzeit, in der sie sich bewegt, auf das Zentrum des Schwarzen Lochs zu – einen eindimensionalen Punkt namens Singularität, an dem die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, keine Anwendung mehr finden.
„Sobald die Kamera den Horizont überquert, wird sie durch Spaghettiisierung in nur 12,8 Sekunden zerstört“, sagte Schnittman. Von dort beträgt die Singularität nur noch 128.000 Kilometer. Diese letzte Etappe der Reise endet im Handumdrehen.
In einem alternativen Szenario kreist die Kamera nahe am Ereignishorizont, überquert ihn jedoch nie und flüchtet nie in Sicherheit. Hätte eine Astronautin die Raumsonde auf dieser sechsstündigen Rundreise gesteuert, während ihre Kollegen auf dem Mutterschiff weit vom Schwarzen Loch entfernt blieben, wäre sie 36 Minuten jünger als ihre Kollegen zurückgekehrt. Dies liegt daran, dass die Zeit in der Nähe einer starken Gravitationsquelle langsamer verläuft und wenn sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.