Ein Team von Astronomen untersuchte 16 supermassereiche Schwarze Löcher, die starke Strahlen in den Weltraum aussenden, um herauszufinden, wohin die Strahlen oder Jets jetzt gerichtet sind und wohin sie in der Vergangenheit geschickt wurden. Mithilfe des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA und des Very Large Base Array (VLBA) des National Radio Astronomy Observatory (NSF) der National Science Foundation (NSF) stellten sie fest, dass einige Strahlen ihre Richtung stark änderten.
Diese beiden Chandra-Bilder zeigen heißes Gas im Zentrum des Galaxienhaufens Abell 478 (links) und der Galaxiengruppe NGC 5044 (rechts). In der Mitte jedes Bildes befindet sich eines von sechzehn Schwarzen Löchern, die Strahlen nach außen aussenden. Jedes Schwarze Loch befindet sich im Zentrum einer Galaxie und ist von heißem Gas umgeben.
Die Bilder unten zeigen die Tags und Radiobilder. Die Ellipsen zeigen ein Paar heißer Gashohlräume für Abell 478 (links) und die Ellipsen zeigen zwei Hohlraumpaare für NGC 5044 (rechts). Diese Hohlräume wurden vor Millionen von Jahren von Strahlen geformt und geben die Richtung der Strahlen in der Vergangenheit an. X zeigt den Standort jedes supermassiven Schwarzen Lochs.
Abell 478 und NGC 5044 (beschriftet). Röntgen: NASA/CXC/Univ of Bologna/F. Ubertosi; Funkeinsätze: NSF/NRAO/VLBA; Weitwinkel: Optisch/IR: Univ. von Hawaii/Pan-STARRS; Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
VLBA-Bilder werden als Ausschnitte angezeigt, die zeigen, wohin die Strahlen von der Erde aus gesehen derzeit zeigen. Beide Radiobilder sind viel kleiner als Röntgenbilder. Für Abell 478 beträgt das Radiobild etwa 3 % der Breite des Chandra-Bilds, und für NGC 5044 beträgt das Radiobild etwa 4 % der Breite des Chandra-Bilds.
Ein Vergleich der Chandra- und VLBA-Bilder zeigt, dass die Strahlen von Abell 478 ihre Richtung um etwa 35 Grad änderten und die Strahlen von NGC 5044 ihre Richtung um etwa 70 Grad änderten.
Über die gesamte Stichprobe hinweg fanden die Forscher heraus, dass etwa ein Drittel der 16 Galaxien Strahlen haben, die in völlig andere Richtungen zeigen als zuvor. Einige von ihnen änderten ihre Richtung in manchen Fällen um fast 90 Grad, und das auf Zeitskalen von einer Million Jahren bis zu mehreren zehn Millionen Jahren. Angesichts der Tatsache, dass Schwarze Löcher etwa 10 Milliarden Jahre alt sind, stellt dies für diese Galaxien eine relativ schnelle Veränderung dar.
Weitwinkelbilder von Abell 478 [links] und NGC 5044 [rechts]. Röntgenstrahlen: NASA/CXC/Universität Bologna/F. Ubertosi et al.; Optisch/IR: University of Hawaii/Pan-STARRS; IR: NASA/ESA/JPL/CalTech/Herschel-Weltraumteleskop
Schwarze Löcher erzeugen Strahlen, wenn Material durch eine rotierende Materiescheibe auf sie fällt, und ein Teil davon wird dann nach außen umgelenkt. Es wird angenommen, dass die Richtung der Strahlen jedes dieser riesigen Schwarzen Löcher, die sich wahrscheinlich drehen, an der Drehachse des Schwarzen Lochs ausgerichtet ist, was bedeutet, dass die Strahlen entlang einer Linie gerichtet sind, die die Pole verbindet.
Es wird angenommen, dass diese Strahlen senkrecht zur Scheibe stehen. Wenn Material in einem anderen Winkel als parallel zur Scheibe auf Schwarze Löcher fällt, kann es die Richtung der Spinachsen des Schwarzen Lochs beeinflussen und die Richtung der Strahlen ändern.
Wissenschaftler glauben, dass Strahlen von Schwarzen Löchern und den von ihnen erzeugten Hohlräumen eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung in ihren Galaxien spielen. Die Strahlen pumpen Energie in das heiße Gas in und um die Galaxie und verhindern so, dass es ausreichend abkühlt, um eine große Anzahl neuer Sterne zu bilden. Wenn die Strahlen ihre Richtung deutlich ändern, könnten sie die Sternentstehung in viel größeren Bereichen der Galaxie unterdrücken.
Ein Artikel, der diese Ergebnisse beschreibt, wurde in der Ausgabe des Astrophysical Journal vom 20. Januar 2024 veröffentlicht. Autoren: Francesco Ubertosi (Universität Bologna in Italien), Gerritt Shellenberger (Center for Astrophysics | Harvard und Smithsonian), Evan O’Sullivan (CfA), Jan Vrtilek (CfA), Simone Giacintucci (Naval Research Laboratory), Lawrence David (CfA ), William Forman (CfA), Miriam Gitti (Universität Bologna), Tiziana Venturi (Nationales Institut für Astrophysik – Institut für Radioastronomie in Italien), Christine Jones (CfA) und Fabrizio Brighenti (Universität Bologna).
Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory verwaltet die Wissenschaft von Cambridge, Massachusetts, und die Missionskontrolle von Burlington, Massachusetts.
Neue theoretische Forschungen zeigen, dass es unmöglich ist, ein Schwarzes Loch allein mit der Energie von Lichtteilchen zu bilden, was Einsteins allgemeine Relativitätstheorie untergräbt. Eine neue Studie legt nahe, dass extreme Objekte, die als „Kugelblitze“ bekannt sind – schwarze Löcher, die ausschließlich aus Licht entstehen – in unserem Universum unmöglich sind, was Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Frage stellt. Die Entdeckung stellt erhebliche Einschränkungen für kosmologische Modelle dar und zeigt, wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie in Einklang gebracht werden können, um komplexe wissenschaftliche Fragen zu lösen.
Schwarze Löcher – massereiche Objekte mit einer so starken Anziehungskraft, dass sich ihnen nicht einmal Licht entziehen kann – gehören zu den faszinierendsten und seltsamsten Objekten im Universum. Sie entstehen normalerweise durch den Kollaps massereicher Sterne am Ende ihres Lebenszyklus, wenn der Druck thermonuklearer Reaktionen in ihren Kernen der Schwerkraft nicht mehr standhalten kann.
Allerdings gibt es auch exotischere Hypothesen zur Entstehung von Schwarzen Löchern. Eine dieser Theorien beinhaltet die Entstehung von „Kugelblitz“, was auf Deutsch „Kugelblitz“ bedeutet. (Der Plural ist „kugelblitze“).
„Ein Kugelblitz ist ein hypothetisches Schwarzes Loch, das nicht durch den Zusammenbruch ‚gewöhnlicher Materie‘ (deren Hauptbestandteile Protonen, Neutronen und Elektronen sind) entsteht, sondern durch die Konzentration großer Mengen elektromagnetischer Strahlung wie Licht entsteht.“ Der Co-Autor der Studie, José Polo-Gomez, ist Physiker an der University of Waterloo und am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Kanada.
„Obwohl Licht keine Masse hat, trägt es Energie“, sagte Polo-Gomez und fügte hinzu, dass in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie Energie für die Entstehung von Krümmungen in der Raumzeit verantwortlich ist, die zu einer Anziehungskraft durch Gravitation führen. „Aus diesem Grund ist es prinzipiell möglich, dass Licht schwarze Löcher bildet – wenn wir es ausreichend in einem ausreichend kleinen Volumen konzentrieren“, sagte er.
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Energie und nicht Masse für die Krümmung der Raumzeit verantwortlich ist, die zur Gravitationsanziehung führt. Nach dieser Theorie sollten Schwarze Löcher allein aus Lichtenergie entstehen können. NASA/JPL-Caltech
Diese Prinzipien gelten im Rahmen der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie, die Quantenphänomene nicht berücksichtigt. Um den möglichen Einfluss von Quanteneffekten auf die Kugelblitz-Bildung zu untersuchen, untersuchten Polo-Gomez und Kollegen den Einfluss des Schwinger-Effekts.
In ihrer Studie berechnete das Team die Geschwindigkeit, mit der in einem elektromagnetischen Feld erzeugte Elektronen- und Positronenpaare Energie verbrauchen würden. Wenn diese Geschwindigkeit die Wiederauffüllungsrate der elektromagnetischen Feldenergie in einer bestimmten Region überschreitet, kann sich kein Kugelblitz bilden.
Das Team stellte fest, dass reines Licht selbst unter extremsten Bedingungen niemals die notwendige Energieschwelle erreichen könnte, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Diese Entdeckung hat tiefgreifende theoretische Implikationen und schränkt bisher angenommene astrophysikalische und kosmologische Modelle, die die Existenz des Kugelblitzs annehmen, erheblich ein. Es macht auch jede Hoffnung zunichte, Schwarze Löcher im Labor experimentell zu untersuchen, indem man sie durch elektromagnetische Strahlung erzeugt.
Das positive Ergebnis der Studie zeigt jedoch, dass Quanteneffekte effektiv in schwerkraftbedingte Probleme integriert werden können und so klare Antworten auf drängende wissenschaftliche Fragen liefern.
„Aus theoretischer Sicht zeigt diese Arbeit, wie Quanteneffekte eine wichtige Rolle beim Verständnis der Entstehungsmechanismen und des Aussehens astrophysikalischer Objekte spielen können“, sagte Polo-Gomez.
Inspiriert durch ihre Entdeckungen planen die Forscher, den Einfluss von Quanteneffekten auf verschiedene Gravitationsphänomene, die sowohl praktische als auch grundlegende Bedeutung haben, weiter zu untersuchen.
„Einige von uns sind sehr daran interessiert, die Gravitationseigenschaften von Quantenmaterie weiter zu untersuchen, insbesondere in Szenarien, in denen diese Quantenmaterie traditionelle Energiebedingungen verletzt“, sagte Eduardo Martin-Martinez, ebenfalls von der University of Waterloo und dem Perimeter Institute. „Diese Art von Quantenmaterie könnte im Prinzip exotische Raumzeiten entstehen lassen, die zu Effekten wie abstoßender Schwerkraft führen, oder exotische Lösungen wie den Alcubierre-Warpantrieb oder durchquerbare Wurmlöcher schaffen.“
Der gewaltige Ausbruch setzte 100.000 Billionen Mal mehr Energie frei, als die Sonne in ihrem gesamten Leben freisetzen würde. Astronomen haben einen der stärksten Ausbrüche Schwarzer Löcher entdeckt, die jemals beobachtet wurden. Diese kolossale Explosion, die sich vor fast 4 Milliarden Jahren ereignete, bildete ein Muster aus Sternen in juwelenartigen Clustern.
Eine Kette aus Sternen schmückt einen riesigen Haufen aus Hunderten von Galaxien namens SDSS J1531; Dieser Körper befindet sich etwa 3,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Galaxienhaufen enthält auch ein riesiges Reservoir an heißem Gas, und in seinem Zentrum verschmelzen gerade zwei seiner größten Galaxien zu einer. Der von Wissenschaftlern entdeckte Ausbruch kam wahrscheinlich von einem supermassereichen Schwarzen Loch in einer dieser kollidierenden Galaxien.
Und während diese Galaxien weiterhin kollidieren, konnten Wissenschaftler eine S-förmige Kette von 19 riesigen Sternhaufen erkennen, die „Superhaufen“ genannt werden.
Um die Bildung des Superhaufenstrangs zu untersuchen, griffen Astronomen aus der ganzen Welt auf umfangreiche Daten aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum zurück, darunter Radiowellendaten vom Low-Frequency Array Radio Telescope (LOFAR) sowie sichtbare Licht- und Röntgendaten, die von Chandra der NASA gesammelt wurden Röntgenobservatorium. Das Verständnis der Entstehung dieses unglaublichen Gebildes könnte zu einem besseren Bild davon führen, wie supermassereiche Schwarze Löcher ihre Umgebung formen.
„Ausbrüche von Schwarzen Löchern wie der, der zur Entstehung der Superhaufen in SDSS J1531 beigetragen hat, werden voraussichtlich sehr wichtig sein, um das Gas in Galaxienhaufen heiß zu halten“, sagte Timothy Davies, Mitglied des Forschungsteams und Wissenschaftler an der Universität Cardiff, in einem Stellungnahme. „Die Entdeckung solch klarer Beweise für diesen laufenden Prozess ermöglicht es uns, den Einfluss riesiger Schwarzer Löcher auf ihre Umgebung zu verstehen.“
Eine seltsame Kette von „Sternjuwelen“, bestehend aus Sternhaufen, die sich um einen mächtigen Ausbruch eines Schwarzen Lochs gebildet haben. Röntgenstrahlen: NASA/CXC/SAO/O. Omoruyi et al.; optische Strahlen: NASA/ESA/STScI/G. Tremblay et al.; Funksignale: ASTRON/LOFAR; Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Es wird angenommen, dass sich in den Zentren aller großen Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher mit einer Masse von Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen befinden. Während viele dieser Weltraummonster still lauern, wie beispielsweise Sagittarius A* (Sgr A*), das im Herzen der Milchstraße liegt, verschlingen andere Gas, Staub und sogar die Sterne um sie herum. Diese supermassereichen Schwarzen Löcher sind Teil der sogenannten aktiven galaktischen Kerne (AGNs) und von Gas- und Staubscheiben umgeben, die sie ernähren. Diese Scheiben werden Akkretionsscheiben genannt. Die massiven Gravitationseinflüsse dieser aktiv ernährenden Schwarzen Löcher erzeugen turbulente Bedingungen in ihren jeweiligen Akkretionsscheiben und lassen die Umgebung hell leuchten.
Darüber hinaus wird jede Materie, die nicht in das supermassereiche Schwarze Loch fällt, durch starke Magnetfelder in Richtung der Pole des kosmischen Titanen gelenkt. Hier werden diese geladenen Teilchen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und brechen als hochkollimierte relativistische Jets aus beiden Polen des Schwarzen Lochs aus. Dieser Ausbruch geht meist mit einer Explosion elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Lichts einher.
Infolgedessen sind aktive Galaxienkerne und die mit ihnen verbundenen Quasare oft so hell, dass sie das kombinierte Licht aller Sterne in den Galaxien um sie herum überstrahlen.
Das Team sagt, dass der Jet, der aus einer der Riesengalaxien im Zentrum von SDSS J1531 austritt, nach außen gedrückt wird und dabei heißes Gas aus dem Schwarzen Loch drückt. Das Team hinter dieser Studie glaubt, dass diese Aktivität einen riesigen Hohlraum um die Leere herum geschaffen hat.
„Wir betrachten dieses System bereits so, wie es vor vier Milliarden Jahren war, kurz nach der Entstehung der Erde“, sagte Osase Omoruyi, Teamleiter und Forscher am Harvard Center for Astrophysics, in einer Erklärung. „Dieser uralte Hohlraum, ein Fossil eines Schwarzen Lochs, erzählt uns von einem Schlüsselereignis, das fast 200 Millionen Jahre früher in der Geschichte des Clusters stattfand.“
Die Abbildung zeigt Jets, die aus beiden Polen eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum eines aktiven galaktischen Kerns austreten.
Durch die Rekonstruktion dieser turbulenten Abfolge von Ereignissen mithilfe von Chandra konnten Omoruyi und seine Kollegen die Bewegungen des dichten Gases in der Nähe des Herzens von SDSS J1531 verfolgen. Dabei wurden helle Röntgen-„Flügel“ am Rand des Hohlraums sichtbar. Radiowellendaten von LOFAR zeigten dem Team Überreste energiereicher Teilchen, die mit der Eruption in Verbindung standen, ein „rauchender Beweis“ für diese uralte, mächtige Eruption.
„In diesem System gibt es eindeutig ein sehr aktives Schwarzes Loch, das ständig ausbricht und das Gas um es herum stark beeinflusst“, sagte Davis. „Hier finden wir den entscheidenden Beweis und sehen gleichzeitig seine Wirkung.“
Die Ausstoßenergie des Jets gehört zu den höchsten, die jemals gemessen wurden. Omoruyi erklärte im Harvard-Blog, dass der Jet 100.000 Billionen Mal mehr Energie freigesetzt habe, als die Sonne in ihrer gesamten Lebensdauer freisetzen werde.
„Als sich der Strahl im Weltraum ausbreitete, schnitt er eine riesige Blase in das Kühlgas, die umgebendes Material anhob und verteilte“, fuhr sie fort. „Obwohl es vor fast 200 Millionen Jahren geschah, bleibt das Erbe des Auswurfs bestehen. Das zuvor angehobene Gas ist nun abgekühlt und schwebt zurück zum Zentrum des Sternhaufens, wo es frischen Treibstoff für die junge Sternentstehung „Perlen an einer Schnur“ liefert.
Omoruyi fügte hinzu, dass die Entdeckung dieses starken Abflusses zwar an sich überraschend sei, einer der bemerkenswertesten Aspekte dieser Beobachtung jedoch die Tatsache sei, dass die Gesamtakkumulation stabil geblieben sei.
Was das Team noch nicht entdeckt hat, sind Hinweise auf einen zweiten mächtigen Jet, der in die entgegengesetzte Richtung und vom anderen Pol des supermassereichen Schwarzen Lochs ausgebrochen sein könnte. Forscher glauben, dass durch weitere Untersuchungen Hinweise auf diesen Doppelstrahl in Röntgen- und Radiowellenemissionen gefunden werden könnten.
„Wir glauben, dass unsere Beweise für diesen gewaltigen Ausbruch stark sind, aber zusätzliche Beobachtungen von Chandra und LOFAR werden dies bestätigen“, schloss Omoruyi. „Wir hoffen, mehr über den Ursprung des Hohlraums zu erfahren, den wir bereits entdeckt haben, und den zu finden, den wir auf der anderen Seite des Schwarzen Lochs erwarten.“
Bei der Beobachtung der von einem supermassiven Schwarzen Loch ins Universum ausgestoßenen Röntgenstrahlen entdeckten Wissenschaftler seltsame Blitze, die sich als Reflexionen von der anderen Seite des Lochs herausstellten. Dies ist die erste direkte Beobachtung von Licht, das von hinter einem Schwarzen Loch kommt, ein Phänomen, das von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, aber noch nicht bestätigt wurde. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Der Astrophysiker Dan Wilkins von der Stanford University untersuchte gerade das supermassive Schwarze Loch im Zentrum einer 800 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, als ihm etwas Unerwartetes auffiel. Neben hellen Röntgenblitzen zeichneten die Teleskope weitere Blitze auf, die später als die Hauptblitze auftraten, weniger hell waren und andere „Farben“ hatten. Berechnungen zufolge entsprachen diese Reflexionen oder Lichtechos Röntgenstrahlen, die von der Rückseite des Schwarzen Lochs reflektiert wurden.
„Jedes Licht, das in ein Schwarzes Loch eintritt, verlässt es nicht, daher sollten wir nicht in der Lage sein, zu sehen, was sich hinter dem Schwarzen Loch befindet“, sagte Dan Wilkins, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie und der National Accelerator Facility eine Pressemitteilung der Universität SLAC Laboratory an der Stanford University. „Der Grund, warum wir das sehen können, ist, dass das Schwarze Loch den Raum krümmt, das Licht beugt und Magnetfelder um sich selbst dreht.“
Eine künstlerische Darstellung von Licht, das hinter einem Schwarzen Loch kommt. Dan Wilkins
Die Forschung konzentrierte sich zunächst auf die Untersuchung der Korona, eines Elements, das einige Schwarze Löcher besitzen. Materie, die in ein supermassereiches Schwarzes Loch fällt, speist die hellsten kontinuierlichen Lichtquellen im Universum und bildet so eine Korona aus Röntgenlicht um das Schwarze Loch.
Die aktuelle Theorie besagt, dass die Entstehung dieses Elements damit beginnt, dass Gas in ein Schwarzes Loch fällt und dort auf Millionen Grad überhitzt wird. Bei dieser Temperatur werden Elektronen von Atomen getrennt, wodurch ein magnetisiertes Plasma entsteht. Gefangen im starken Spin des Schwarzen Lochs krümmt sich das Magnetfeld über das Schwarze Loch und dreht sich so heftig um sich selbst, dass es schließlich vollständig zusammenbricht. Die Situation erinnert an das, was rund um die Sonne passiert. Daher nannten Wissenschaftler dieses Phänomen in Analogie zur Sonnenkorona die Korona eines Schwarzen Lochs.
„Dieses Magnetfeld, gekoppelt und in der Nähe des Schwarzen Lochs, heizt alles auf und erzeugt diese hochenergetischen Elektronen, die dann Röntgenstrahlen erzeugen“, erklärt Wilkins. „Ich hatte mehrere Jahre lang theoretische Vorhersagen darüber gemacht, wie diese Echos für uns aussehen würden, und sobald ich sie durch das Teleskop sah, wusste ich, womit sie verbunden waren.“
„Als Astrophysiker vor fünfzig Jahren begannen, darüber nachzudenken, wie sich ein Magnetfeld in der Nähe eines Schwarzen Lochs verhalten könnte, hatten sie keine Ahnung, dass wir eines Tages Methoden haben würden, um dies direkt zu beobachten und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Aktion zu sehen“, sagt Another Autor der Studie ist Professor Roger Blandford von der Stanford School of Arts and Sciences und Professor für Physik und Teilchenphysik am SLAC.
Die Autoren werden weiterhin die Koronen von Schwarzen Löchern beschreiben und untersuchen. Besondere Hoffnungen setzen sie in das Weltraumteleskop Athena der Europäischen Weltraumorganisation, dessen Start für 2031 geplant ist.