Tiefgründig und romantisch: Menschen könnten Zeugen des Erwachens eines schwarzen Lochs geworden sein

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Zhenzhen (Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften), Shi Xuecao (Shanghai Science and Technology Education Press)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Vor einiger Zeit berichteten Astronomen der Europäischen Südsternwarte und des Millennium-Instituts für Astrophysik in Chile, dass Menschen möglicherweise zum ersten Mal den „Erwachensprozess“ eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie beobachtet haben.

Dieses supermassereiche Schwarze Loch befindet sich im Zentrum einer elliptischen Galaxie (SDSS 1335+0728) im Sternbild Jungfrau, 300 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, und hat eine Masse, die einer Million Sonnen entspricht. Während der vorangegangenen Jahrzehnte der Beobachtung war es in einem ruhigen Ruhezustand verblieben. Ab Dezember 2019 wurde die Aktivität extrem aktiv und hält bis heute an. Die Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics unter dem Titel „SDSS 1335+0728: Das Erwachen eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von einer Million“ veröffentlicht.

SDSS 1335+0728 Galaxienkern wird heller

(Bildquelle: Europäische Südsternwarte)

Was ist ein Schwarzes Loch?

Schwarze Löcher sind das Produkt extremer Gravitationskräfte im Universum. Objekte mit Masse üben im Allgemeinen eine Anziehungskraft auf die Außenwelt aus, nämlich die Schwerkraft. Himmelskörper mit großer Masse können durch ihre eigene starke Schwerkraft umgebende Objekte an ihre Umgebung binden. Will ein Objekt der Anziehungskraft eines Himmelskörpers entkommen, muss es eine höhere Geschwindigkeit aufweisen. Wenn beispielsweise eine Rakete von der Erdoberfläche gestartet wird und ihre Geschwindigkeit 11,2 Kilometer pro Sekunde überschreitet, kann sie sich von der Erdanziehungskraft lösen und in den Weltraum eindringen. Je stärker die Gravitationskraft eines Himmelskörpers auf seine Umgebung ist, desto größer ist die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um sich von ihm zu entfernen.

Wenn die Schwerkraft eines Himmelskörpers so stark ist, dass selbst Licht, das sich am schnellsten bewegende Objekt im Universum, ihm nicht entkommen kann, spricht man von einem Schwarzen Loch.

Um eine so starke Gravitationswirkung zu erzeugen, muss der Himmelskörper eine große Masse und einen kleinen Radius haben. In unserem Universum entwickeln sich einige massereiche Sterne und kollabieren schließlich zu einem Schwarzen Loch, dessen Masse normalerweise mehrere bis Dutzende Mal so groß ist wie die der Sonne. Im Zentrum einer Galaxie befindet sich normalerweise ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von ein bis zehn Milliarden Sonnenmassen. Dieses Mal untersuchten Astronomen das supermassive Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie.

Konzeptkarte „Schwarzes Loch“

(Foto von: UChicago News)

Da Licht einem Schwarzen Loch nicht entweichen kann, woher wissen wir dann, dass es existiert? Tatsächlich können wir das Schwarze Loch selbst nicht direkt sehen, aber die starke Gravitationskraft, die es auf die Außenwelt ausübt, verrät seine Existenz. Durch die Verfolgung der Auswirkungen von Schwarzen Löchern auf die Außenwelt können Menschen immer noch die Spuren von Schwarzen Löchern erfassen. Eine der wissenschaftlichen Errungenschaften, die mit dem Nobelpreis für Physik 2020 ausgezeichnet wurden, war beispielsweise die Beobachtung vieler Sterne im Kernbereich der Milchstraße, die um eine zentrale Position kreisen. Daraus wurde gefolgert, dass sich dort ein massereiches Schwarzes Loch befinden müsste.

Die Sterne im Kernbereich der Milchstraße kreisen um einen zentralen Punkt

(Bildquelle: Referenz 2)

„Schlaf“ und „Erwachen“ des Schwarzen Lochs

Ein Stern, der ein so massereiches Schwarzes Loch umkreist, würde normalerweise keinen Drehimpuls verlieren, sofern er nicht anderweitig gestört wird. Die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft, die durch die Rotation des Objekts entsteht, wirkt der nach innen gerichteten Gravitationskraft des Schwarzen Lochs entgegen, wodurch ein Gleichgewicht erreicht wird und das Objekt nicht in das Schwarze Loch fällt. Aus demselben Grund umkreist der Mond wiederholt die Erde, ohne auf die Erde zu stürzen. In diesem Fall bleibt das Schwarze Loch im Einklang mit der umgebenden Materie und es herrscht ein ruhiger Zustand um das Schwarze Loch herum. Aus der Perspektive des Beobachters scheint sich das Schwarze Loch zu diesem Zeitpunkt in einem Ruhezustand zu befinden.

Wenn die Materie im Kernbereich einer Galaxie aufgrund einer Störung ihren Drehimpuls verliert, verringert sich die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft und kann der nach innen gerichteten Gravitationskraft des Schwarzen Lochs nicht mehr standhalten. Daher fällt die Materie in das Schwarze Loch. Beim Fallen bildet das Material eine scheibenartige Struktur. Die Materie in der Scheibe rotiert schnell um das Schwarze Loch und fällt allmählich hinein. Dieser Vorgang wird Akkretion genannt.

Wenn Materie in ein Schwarzes Loch fällt, wird enorme Gravitationsenergie freigesetzt und schließlich in verschiedenen Energieformen ins Universum abgestrahlt. Die enorme Energie, die bei diesem Prozess abgestrahlt wird, kann sogar die Gesamtstrahlung aller Sterne in der gesamten Galaxie übersteigen, wodurch der Kern der Galaxie sehr hell wird. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Schwarze Loch in einem aktiven Zustand, in dem es umgebende Materie verschlingt.

Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie verschlingt die umgebende äußere Materie und sehnt sich danach, Energie freizusetzen

(Bildnachweis: Shasthra Snehi)

Derzeit wurde eine große Anzahl Schwarzer Löcher sowohl im ruhenden als auch im aktiven Zustand beobachtet. Der Umschaltvorgang zwischen diesen beiden Zuständen konnte jedoch nicht eindeutig beobachtet werden.

Neue Entdeckungen von SDSS 1335+0728

Im Dezember 2019 entdeckten Astronomen erstmals, dass die zentrale Region von SDSS 1335+0728 extrem hell war. Zunächst dachten sie, es handele sich lediglich um ein gewöhnliches Akkretionsphänomen eines aktiven supermassiven Schwarzen Lochs. Bei der Betrachtung der Langzeitbeobachtungsdaten der letzten 20 Jahre konnten jedoch keine Anzeichen von Aktivität festgestellt werden. Mit anderen Worten: Dieses supermassereiche Schwarze Loch war in der Vergangenheit inaktiv und wurde erst in den letzten Jahren aktiv.

Seit 2019 weist SDSS 1335+0728 die Strahlungseigenschaften eines aktiven Schwarzen Lochs auf und erzeugt starke hochenergetische Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung und starke Strahlung im Infrarotbereich. Astronomen haben versucht, eine plausible Erklärung für dieses ungewöhnliche Phänomen zu finden. Derzeit sind die folgenden beiden Erklärungen wahrscheinlicher.

Ein Stern, der verschluckt?

Wenn sich ein Stern dem Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie zu nahe bewegt, wird er durch die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs auseinandergerissen, zu einer langen und dünnen „Nudel“-Struktur gestreckt und fällt allmählich in das Schwarze Loch. Dieser Vorgang geht normalerweise mit einer kurzen Energiefreisetzung einher, wodurch das ursprünglich ruhige Zentrum der Galaxie plötzlich heller wird. Dieses astronomische Phänomen wird oft als Gezeitenstörung bezeichnet. Der Name kommt daher, dass das Prinzip dieses Prozesses dem Gezeitenphänomen des Meerwassers auf unserer Erde ähnelt.

Wir wissen, dass die Stärke der Schwerkraft mit der Entfernung abnimmt. Die Entfernungen vom Mond zum Meerwasser sind an verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich. Das Meerwasser, das näher am Mond liegt, unterliegt einer größeren Schwerkraft, während das Meerwasser, das weiter vom Mond entfernt ist, einer geringeren Schwerkraft unterliegt. Dieser Gravitationsunterschied führt zu einer Verformung des gesamten Ozeans, wodurch der Meeresspiegel steigt und fällt, was zu den Gezeitenphänomenen führt, die wir beobachten.

Ebenso erfahren Sterne in der Nähe eines Schwarzen Lochs an verschiedenen Orten unterschiedliche Gravitationskräfte. Je näher der Stern am Schwarzen Loch ist, desto deutlicher ist dieser Gravitationsunterschied. Kommt ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe, kann der starke Gravitationsunterschied die eigene Bindungskraft des Sterns übersteigen und ihn auseinanderreißen. Die herausgerissene Sternmaterie fällt nach und nach in das Schwarze Loch und sendet dabei starke Strahlung aus. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt beobachten, werden Sie feststellen, dass das Zentrum der Galaxie deutlicher und heller wird.

Der Gezeitenzerstörungsprozess eines supermassiven Schwarzen Lochs, das einen Stern zerreißt

(Bildquelle: HubPages)

In den letzten Jahren wurden bei astronomischen Beobachtungen häufig Gezeitenstörungen festgestellt. Kann die ungewöhnliche Aufhellung des Galaxienkerns durch ein solches Gezeitenereignis erklärt werden?

Astronomen analysierten das Ereignis und stellten fest, dass es in mehreren Aspekten nicht den Merkmalen eines typischen Gezeitenereignisses entsprach. Beispielsweise dauern die durch Gezeitenstörungen verursachten Helligkeitsänderungen im Allgemeinen nur einige zehn oder höchstens einige hundert Tage an. Dieses Mal hellt sich die Kernregion der Galaxie immer noch auf, mehr als vier Jahre nach ihrer Entdeckung.

Da wir über Gezeitenstörungen nicht genug wissen, können wir diese Möglichkeit natürlich nicht völlig ausschließen. Möglicherweise handelte es sich um ein ungewöhnlich langsames Gezeitenereignis. So wird beispielsweise kein Stern durch das Schwarze Loch auseinandergerissen, sondern eine kleinere, nahegelegene Satellitengalaxie. Wenn es sich tatsächlich um einen TDE handelte, wäre es der längste und schwächste TDE, der dem Menschen bekannt ist.

Hatten Sie jemals das Glück, das Erwachen eines Schwarzen Lochs mitzuerleben?

Die diesmal beobachteten Eigenschaften von SDSS 1335+0728 unterscheiden sich nicht wesentlich von denen anderer aktiver galaktischer Kerne. Matthew Graham, ein Forschungsprofessor in der Abteilung für Astronomie am California Institute of Technology, spekulierte, dass diese Galaxie vielleicht nichts Besonderes sei und wir nur zufällig einen besonderen Moment eingefangen hätten.

Im Zentrum einer Galaxie im Universum befindet sich normalerweise ein supermassereiches Schwarzes Loch. Durch Beobachtungen wurde festgestellt, dass sich die Schwarzen Löcher im Zentrum einiger Galaxien in einem ruhigen Zustand befinden, während sich andere in einem aktiven Zustand befinden. Statistische Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl aktiver Schwarzer Löcher weitaus geringer ist als die der ruhigen Schwarzen Löcher. Dies bedeutet, dass das Schwarze Loch nur einen kleinen Bruchteil der Zeit aktiv ist.

Vergleicht man das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie mit einem riesigen Tier, so befindet sich dieses Tier die meiste Zeit in einem Ruhezustand, hat also nichts zu fressen und ist nur für kurze Zeit in einem aktiven Stadium der Jagd und Nahrungsaufnahme. Wenn die Nahrung gegessen und verdaut ist, kehrt der Ruhezustand wieder zurück.

Wenn die Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien einen oder mehrere zyklische Übergänge von einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand und dann wieder zurück in einen Ruhezustand durchlaufen, warum wurden diese Zustandsübergänge dann nicht in großem Umfang beobachtet? Dies liegt daran, dass die Zeit, die ein Schwarzes Loch in einem bestimmten Zustand verbleibt (normalerweise Millionen von Jahren), im Vergleich zur begrenzten Geschichte moderner astronomischer Beobachtungen durch den Menschen (weniger als hundert Jahre) sehr lang ist. Mit anderen Worten: Menschliche Beobachtungen können derzeit nur einen kurzen Moment im gesamten Evolutionsprozess des Schwarzen Lochs erfassen.

Nur wenn dieser Moment zufällig mit dem Moment zusammenfällt, in dem das Schwarze Loch gerade beginnt, von einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand überzugehen, haben wir die Möglichkeit, das Erwachen des Schwarzen Lochs mitzuerleben. Durch Beobachtungen um diesen Zeitpunkt herum kann unsere begrenzte Beobachtungshistorie sowohl die Ruhephase als auch die aktive Phase des Schwarzen Lochs abdecken. Solch ein kritischer Moment ist natürlich nicht leicht zu erleben, was vielleicht der Grund dafür ist, dass die Menschen ihn noch nie erlebt haben.

Abschluss

Derzeit behalten die Astronomen dieses supermassereiche Schwarze Loch weiterhin im Auge und bereiten sich darauf vor, mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops weitere, eingehendere Beobachtungen und Studien durchzuführen, um die Gründe für seine ungewöhnliche Aktivität gründlich zu verstehen. Dies wird dazu beitragen, vorherzusagen, ob es in Zukunft ruhig oder wieder aktiv wird, und unser Verständnis des Wachstums und der Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien zu vertiefen.

Quellen:

1. Sánchez-Sáez et al. (2024); SDSS1335+0728: Das Erwachen eines ∼106M⊙ Schwarzen Lochs

2. Genzel, Eisenhauer & Gilllessen (2010); Das galaktische Zentrum – ein massives schwarzes Loch und ein nuklearer Sternhaufen