Zwei neue Forschungsarbeiten ermöglichen es uns, näher an den Raum nahe dem Ereignishorizont heranzukommen und Bilder von Ereignissen in der Region zu erstellen, in der sich die stabilen Umlaufbahnen befinden, die dem Schwarzen Loch am nächsten liegen. Die Autoren beider Studien untersuchen die periodischen Emissionen, die auftreten, wenn schwarze Substanz beginnt, neue Materie zu absorbieren.
Schwarze Löcher selbst absorbieren alles Licht außerhalb ihres Ereignishorizonts, und der Raum außerhalb dieses Ereignishorizonts emittiert normalerweise solches Licht in großen Mengen. Dies liegt an der Tatsache, dass Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, eine enorme Energieladung hat. Es verliert an Drehmoment und stößt im Orbit um das Schwarze Loch gegen andere Materie. Obwohl wir kein direktes Bild des Schwarzen Lochs erhalten können, können wir anhand des Lichts aus der Umgebung, das es erzeugt, einige Schlussfolgerungen über seine Eigenschaften ziehen.
Diese Woche wurden zwei Forschungsarbeiten veröffentlicht, die es uns ermöglichen, näher an den Raum nahe dem Ereignishorizont heranzukommen und Bilder von Ereignissen in der Region zu erstellen, in der sich die stabilen Umlaufbahnen befinden, die dem Schwarzen Loch am nächsten liegen. Die Autoren einer dieser Arbeiten kamen zu folgendem Schluss: Ein supermassereiches Schwarzes Loch dreht sich so schnell, dass sich ein Punkt auf seiner Oberfläche mit einer Geschwindigkeit bewegt, die etwa der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Glow Echo
Die Autoren beider Studien untersuchen die periodischen Emissionen, die auftreten, wenn schwarze Materie beginnt, neue Materie zu absorbieren. Diese Substanz wird durch eine flache Struktur in einem Schwarzen Loch in das Loch geleitet. Diese Struktur wird als Akkretionsscheibe bezeichnet. Wenn neue Materie erscheint, erwärmt sich die Scheibe und das Schwarze Loch wird heller. Aus diesem Grund treten Änderungen im umgebenden Raum auf. Die Autoren beider Studien suchen nach einer Antwort auf die Frage, was diese Veränderungen über das Schwarze Loch und den Raum in seiner Nähe aussagen können.
In einem dieser Artikel konzentriert sich die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf ein Schwarzes Loch mit Sternmasse, die zehnmal so groß ist wie die Masse der Sonne. Als Reaktion auf das Eindringen von Materie erzeugte einer dieser Sterne ein vorübergehendes Ereignis namens MAXI J1820 + 070. Es hat seinen Namen vom MAXI-Instrument auf der ISS, das astronomische Beobachtungen im Röntgenbereich durchführen soll. Nach der Entdeckung dieses Ereignisses konnten neue Beobachtungen mit der ISS-Ausrüstung NICER durchgeführt werden, die die innere Zusammensetzung von Neutronensternen untersucht. Dieses Gerät kann sehr schnelle Messungen von Röntgenstrahlen durchführen, die von astronomischen Quellen emittiert werden, wodurch Sie kurzfristige Änderungen in einem Objekt effektiv überwachen können.
In diesem Fall wurde das "Lichtecho" mit dem NICER-Instrument analysiert. Der Punkt ist, dass Schwarze Löcher zusätzlich zur Akkretionsscheibe eine Korona haben, eine Blase aus energetisch geladener Materie, die sich über und unter der Ebene der Scheibe befindet. Diese Korona selbst sendet Röntgenstrahlen aus, die mit Instrumenten erfasst werden können. Diese Röntgenstrahlen treffen aber auch auf die Akkretionsscheibe, und einige von ihnen spiegeln sich in unserer Richtung wider. Ein solches leichtes Echo kann uns einige Details über die Akkretionsscheibe mitteilen.
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Das Rätsel lösen
In diesem Fall half das leichte Echo, das Rätsel zu lösen. Bilder von superdichten Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien zeigen, dass sich die Akkretionsscheibe entlang der stabilsten Umlaufbahn zum Schwarzen Loch ausgedehnt hat. Messungen von Schwarzen Löchern mit Sternmasse zeigen jedoch, dass die Ränder der Akkretionsscheibe viel weiter entfernt sind. Da es unwahrscheinlich ist, dass sich die physikalischen Eigenschaften mit der Größe ändern, haben diese Messungen die Wissenschaftler etwas verwirrt.
Eine neue Analyse zeigt, dass MAXI J1820 + 070 Röntgenstrahlen sowohl variable als auch konstante Eigenschaften aufweisen. Konstante Eigenschaften zeigen an, dass die Akkretionsscheibe, die das Echo erzeugt, ihre Position überhaupt nicht ändert. Und die variablen Eigenschaften zeigen an, dass, wenn ein Schwarzes Loch Materie verschlingt, seine Korona kompakter wird und daher die Röntgenquelle verschoben wird. Die Details des konstanten Signals zeigen an, dass die Akkretionsscheibe viel näher am Schwarzen Loch liegt. Dank dessen stimmen die neuen Messungen voll und ganz mit dem überein, was wir über superdichte Versionen von Schwarzen Löchern wissen.
Tod eines Sterns
Im Gebiet der Superdense befindet sich das Objekt ASASSN-14li, das bei der automatischen Erforschung von Supernovae entdeckt wurde. Dieses Objekt hatte Eigenschaften, die häufig bei einem Ereignis namens Gezeitenstörung auftreten. Während eines solchen Ereignisses zerreißt das Schwarze Loch durch seine Schwerkraft einen Stern, der ihm zu nahe ist. Nachfolgende Beobachtungen zeigten jedoch, dass dieses Signal eine ziemlich seltsame Struktur aufweist. Alle 130 Sekunden gab es für kurze Zeit einen Ausbruch.
Dieses Signal unterschied sich nicht sehr von dem Hintergrund, vor dem die Zerstörung des Sterns stattfand, aber es wurde von drei verschiedenen Instrumenten erfasst, was darauf hinweist, dass in regelmäßigen Abständen etwas passiert. Die einfachste Erklärung ist, dass ein Teil des Sterns in die Umlaufbahn um das Schwarze Loch fiel. Die Häufigkeit solcher Umlaufbahnen hängt von der Masse und der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs sowie vom Abstand zwischen dem Schwarzen Loch und dem Objekt ab, das es umkreist. Auf andere Weise ist die Rotation eines Schwarzen Lochs schwer zu messen. Daher reproduzieren Wissenschaftler Simulationen viele Male und testen verschiedene Konfigurationen des Schwarzen Lochsystems.
Die Masse eines Schwarzen Lochs wird anhand der Größe der Galaxie bestimmt, in der es sich befindet. Es gibt eine einfache Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Umlaufbahnentfernung: Je näher etwas an dem Schwarzen Loch liegt, desto langsamer dreht sich das Schwarze Loch, so dass sich das Objekt mit derselben Geschwindigkeit in der Umlaufbahn bewegt. Durch Berechnung der nächstmöglichen Umlaufbahn konnten die Wissenschaftler den Mindestwert der Drehzahl bestimmen.
Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass sich das Schwarze Loch mindestens mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, dass sich ein Punkt auf seiner Oberfläche mit einer Geschwindigkeit bewegt, die halb so hoch ist wie die Lichtgeschwindigkeit. (Um Ihnen eine vollständigere Vorstellung zu geben, sollte gesagt werden, dass überdichte Schwarze Löcher so groß sein können, dass sie den gleichen Radius wie die Umlaufbahn von Saturn oder Neptun haben.) Wenn Materie etwas weiter vom Zentrum entfernt umkreist, kann dies auch das Schwarze Loch beschleunigt seine Rotation.
Wir können noch keine Bilder von Schwarzen Löchern direkt erhalten, aber Studien haben gezeigt, dass in ihnen zahlreiche Ereignisse auftreten, die uns viele Daten über ihr Verhalten im Universum liefern können. Und dies ermöglicht es uns, bestimmte Schlussfolgerungen über die Eigenschaften der Schwarzen Löcher selbst zu ziehen sowie über die Materie, die in den Flügeln darauf wartet, in sie einzudringen. Wir beginnen auch, Informationen aus Gravitationswellenbeobachtungen zu erhalten, die uns eine Vorstellung von der Masse und Rotation kollidierender Schwarzer Löcher geben. Zusammengenommen entfernen diese Daten einen Hauch von Dunkelheit aus Schwarzen Löchern und sind für uns kein unerforschtes Gebiet mehr.
John Timmer
