Dieser „Schwarze-Loch-Beobachter“ blickt in die Dunkelheit des Sternenhimmels

Es gibt zu viele Hinweise darauf, dass wir zum selben Sternenhimmel aufblicken wie die Menschen in der Antike. Sei es das klare und überwältigende Gefühl „Heute Nacht ist die beste Nacht, niemand ist bei mir, ich lege mich hin und beobachte mit klarem Verstand den Sternenhimmel“ oder das traurige und melancholische Gefühl „Die Glocken und Trommeln erklingen spät zu Beginn der langen Nacht, der Sternenhimmel dämmert gleich“. Beides zeigt, dass sich die Menschen offenbar daran gewöhnt haben, ihre Emotionen auf die zahlreichen Sterne über ihren Köpfen zu richten. Zu dieser Sehnsucht nach dem Universum, die tief in unseren Knochen vergraben ist, brachte der amerikanische Schriftsteller Timothy Ferries in seinem Werk einmal einzigartige Einsichten zum Ausdruck: „In gewisser Weise sind wir aus Sternenmaterie erschaffen. Sie existiert in unseren Genen, daher kann man auch sagen, dass es sich um eine natürliche Neugier handelt.“ Es war einmal Wu Jianfeng, Professor am Institut für Astronomie der Fakultät für Physik und Technologie der Universität Xiamen, der auch so ein „Sterne zählendes Kind“ mit großer Neugier war. Er gab zu, dass er das Glück hatte, in einer Ära rasanter technologischer Entwicklung geboren zu sein. Die Entwicklung von Technologien und Geräten zur Sternenbeobachtung baute zweifellos eine unsichtbare Brücke zwischen ihm und dem Universum, nach dem er sich sehnte.

▲ Wu Jianfeng

Vom sichtbaren Licht bis zum gesamten elektromagnetischen Spektrum, von der Beobachtung mehrerer Phänomene wie Gravitationswellen, Neutrinos und kosmischer Strahlung bis hin zur Beobachtung des Nachthimmels und der rationalen Analyse des Ursprungs des Universums hat die Menschheit eine lange Zeit der Erforschung hinter sich. Es gab viele Meilensteine ​​und große Persönlichkeiten, die in die Geschichte eingegangen sind, doch kein Astronom kann die Ehre für sich beanspruchen, ein Schwarzes Loch entdeckt zu haben. Dieser Himmelskörper, dessen Raum-Zeit-Krümmung so groß ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann, zieht seit mehr als 20 Jahren Wu Jianfengs Aufmerksamkeit auf sich. „Wie sieht ein Schwarzes Loch aus? Woher kommt es? Wo landet es?“ Diese drei ewigen Thesen der westlichen Philosophie nutzte er, um die unzähligen geheimnisvollen Himmelskörper am Nachthimmel immer wieder aufs Neue zu hinterfragen.

Die Sterne und der Mond sind hell, und der helle Fluss ist in meinem Herzen

Wu Jianfengs erste Begegnung mit der Astrophysik geht auf einen Unterrichtsraum an der Tsinghua-Universität zurück. Im Jahr 1999 begann er sein Studium der Naturwissenschaften an der Tsinghua-Universität und begann gleichzeitig ein neues Kapitel in der Verwirklichung seiner Lebensträume. Wu Jianfeng betrachtet die Physik, die sich mit dem riesigen Raum und der Zeit und aller darin enthaltenen Materie befasst, als „die Genialität rationalen Denkens“ und es sei seine größte Anstrengung wert, sich diesem Bereich zu widmen. Daher war ihm der ständige Pendelverkehr zwischen Bibliothek und Klassenzimmer weder langweilig noch lästig. Im Gegenteil, der Kontakt und die Forschung in der Astrophysik riefen bei ihm immer wieder Erinnerungen an die Betrachtung des Sternenhimmels in seiner Kindheit wach und stärkten seinen Glauben an ein lebenslanges Streben danach. Auch dieses bis heute anhaltende Interesse und die Überzeugung machten den Entschluss, ein Doktorat in Astronomie und Astrophysik anzustreben, unausweichlich.

Nachdem er die Schnittstelle zwischen Astronomie und Physik offiziell abgeschlossen und ein astronomischer Forscher mit einer soliden wissenschaftlichen Grundlage geworden war, entdeckte Wu Jianfeng, dass jeder Himmelskörper tatsächlich seine eigene, einzigartige Vergangenheit hat. Die kombinierten Auswirkungen von Naturgesetzen und historischen Zufällen formen ihr Schicksal, und die Menschen haben im langen Fluss der Geschichte ihr Bestes gegeben, aber nur einige Bruchstücke der Wahrheit aufgeschnappt. Daher ist es noch ein langer Weg, bis wir neue Sterne entdecken und das Universum verstehen können. Unter dem hellen Licht der Sterne und des Mondes gibt es in der weiten Welt noch viel zu tun. Während seiner Promotion widmete er sich daher den besonderen Himmelskörpern, den sogenannten „Quasaren“.

Quasare gelten neben Pulsaren, Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und interstellaren organischen Molekülen als die „vier großen Entdeckungen“ der Astronomie der 1960er Jahre. Obwohl sie so genannt werden, weil sie wie „sternähnliche Himmelskörper“ aussehen, handelt es sich bei ihnen im Wesentlichen um eine Art aktiven galaktischen Kern, der die äußere Manifestation des aktiven Akkretionszustands des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie darstellt. Die Masse des zentralen Schwarzen Lochs beträgt oft mehr als eine Million Mal die der Sonne. Sie wachsen, indem sie das umgebende Gas gewaltsam verschlingen, wodurch um das Schwarze Loch eine Scheibe entsteht, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Im Allgemeinen sollten Quasare eine Art von Himmelskörpern sein, die blendend hell sind. Quasare vom Typ I weisen in ihren ultravioletten und optischen Spektren normalerweise starke, breite Emissionslinien auf. In den letzten 20 Jahren wurden jedoch Hunderte spezieller Quasare entdeckt, deren breite Emissionslinien sehr schwach sind und deren Intensität sogar um mehr als eine Größenordnung geringer ist als die typischer Quasare. Die Ursache dieser schwachen Emissionslinie hat den Astronomen schon lange Rätsel aufgegeben.

Wu Jianfeng, ein Doktorand, hat seine eigene Lösung für dieses Problem vorgelegt. Er verwendete auf innovative Weise eine Methode zur Multibandanalyse und stellte fest, dass die durchschnittliche Röntgenstrahlungsintensität von Quasaren mit schwachen Emissionslinien ebenfalls deutlich schwächer war als die von typischen Quasaren. Auf diese Weise stellte er eine Korrelation zwischen ihren besonderen Emissionslinieneigenschaften und besonderen Röntgeneigenschaften her. Anschließend verstanden sich Wu Jianfeng und seine Mitarbeiter gut und schlugen das „Schutzgas“-Modell vor, mit dem sich die besonderen Emissionslinieneigenschaften und Röntgeneigenschaften von Quasaren mit schwachen Emissionslinien erfolgreich erklären ließen. Dieses Modell hat große Aufmerksamkeit und Anerkennung von internationalen Kollegen erhalten. Nachfolgende Studien ergaben außerdem, dass Quasare mit schwachen Emissionslinien wahrscheinlich einen Zustand darstellen, in dem supermassereiche Schwarze Löcher umgebendes Gas mit extrem hoher Geschwindigkeit (jenseits der „Eddington-Grenze“) ansammeln. Das heißt, das Schwarze Loch in diesem Quasartyp verschlingt Gas viel schneller als in einem gewöhnlichen Quasar. In der Frühphase des Universums war der Anteil dieses speziellen Quasartyps deutlich höher als in späteren Perioden. Daher liefert die Untersuchung schwacher Emissionslinienquasare zufällig auch Hinweise zur Aufklärung der Wachstumsgesetze der frühesten supermassiven Schwarzen Löcher im Universum. Die Schlussfolgerungen sind von großer Bedeutung. Nun leitet Wu Jianfeng sein Team dabei, das „Schutzgas“-Modell schwacher Emissionslinienquasare und ihre Koevolutionsgesetze mit ihren Wirtsgalaxien aus zwei neuen Perspektiven quantitativ weiter einzugrenzen: Röntgenlichtvariation und Submillimeterwellenbeobachtungen, um das menschliche Verständnis des Universums zu verbessern.

Zweitens vernachlässigte Wu Jianfeng auch die Forschung an Quasaren, den „Radio-Leuchttürmen“ des frühen Universums, nicht. „Radio-verrauschte Quasare“ mit heller Radiostrahlung haben stark kollimierte relativistische Jets und die hochenergetischen Teilchen, die sie enthalten, erstrecken sich über Zehntausende oder sogar Millionen von Lichtjahren mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Dies ist beinahe eines der energiereichsten Phänomene im Universum. Obwohl Röntgenstrahlung ein wichtiges Merkmal von Jets ist, stand ihr Entstehungsmechanismus in diesem Bereich schon immer im Mittelpunkt der Debatten. Es wird allgemein angenommen, dass es zwei Hauptstrahlungsmechanismen von Röntgenstrahlen gibt: die Comptonisierung der Synchrotronstrahlung selbst und die inverse Compton-Streuung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Es besteht jedoch noch keine Einigkeit darüber, welcher Mechanismus die dominierende Rolle spielt. Daher untersuchte Wu Jianfeng Quasare mit hohem Radiorauschen im frühen Universum und entdeckte erstmals die übermäßige Röntgenstrahlung dieser Quasare. Ihre relative Röntgenstrahlungsintensität war etwa dreimal so hoch wie die ähnlicher Quasare im späten Universum. Diese Entdeckung lässt sich gut durch die zeitliche Entwicklung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung durch den inversen Compton-Streumechanismus erklären. Obwohl dieser Mechanismus im näheren Universum nicht vorherrschend ist, wird die durch diesen Mechanismus erzeugte Röntgenstrahlung mit zunehmender Rotverschiebung, d. h. wenn wir uns in das frühere Universum bewegen, deutlich verstärkt und dominiert aufgrund der Zunahme der Energiedichte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Daher wird die Röntgenstrahlung der Jets im frühen Universum die des Originals übertreffen. Einfach ausgedrückt, nutzte diese Arbeit erfolgreich die Dominanz dieses Mechanismus, indem sie die Geschichte verschiedener Perioden des Universums miteinander verband und den Menschen einen Teil des Erscheinungsbilds des frühen Universums wiederherstellte.

In den „Abgrund“ starren und die Wahrheit „herausfischen“

„Jedes Mal, wenn ich an einer neuen Institution arbeite, werde ich mein Bestes geben, um mein wissenschaftliches Forschungsgebiet zu erweitern.“ Wu Jianfeng wurde von seinen beiden Postdoc-Forschungserfahrungen an den weltweit führenden astronomischen Forschungseinrichtungen, dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und der University of Michigan, inspiriert. Dank der Kommunikation und Hilfe von Kollegen und der Anleitung seiner Vorgänger hat sich sein wissenschaftliches Forschungsgebiet von der Untersuchung Schwarzer Löcher zur Entdeckung Schwarzer Löcher erweitert.

▲ Wu Jianfeng unterrichtet „Hochenergie-Astrophysik“ für Studenten der Astronomie an der Universität Xiamen

Der erste Typ Schwarzen Lochs, der in der Menschheitsgeschichte entdeckt und bestätigt wurde, war ein stellares Schwarzes Loch, das am Ende des Lebens eines massereichen Sterns entsteht. Nach dem „Black Hole No-Hair Theorem“ genügen zur vollständigen Beschreibung eines Schwarzen Lochs in der Astrophysik lediglich zwei Grundparameter, Masse und Spin (die Ladung wird dabei meist mit 0 angenommen). Von diesen beiden Parametern ist die Qualität der grundlegendere. Daher ist die genaue Messung der Masse eines Schwarzen Lochs natürlich eine Voraussetzung für andere Studien zu Schwarzen Löchern. Sicher ist, dass die Schwarzen Löcher mit Sternmasse, die heute durch Beobachtungen im elektromagnetischen Band eindeutig bestätigt wurden, alle in Doppelsternsystemen existieren, also in Systemen, die aus einem Schwarzen Loch und einem gewöhnlichen Stern (Begleitstern genannt) bestehen, die einander umkreisen. Leider war es bei Doppelsternsystemen, bei denen der Begleitstern ein Stern mit geringer Masse ist (ähnlich oder kleiner als die Sonne), schon immer schwierig, die Masse des Schwarzen Lochs genau zu messen. Der Hauptgrund hierfür besteht darin, dass die von der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch erzeugte Strahlung die Strahlung des Begleitsterns verunreinigt und dadurch zusätzliche unregelmäßige Lichtschwankungen im optischen Band des gesamten Systems verursacht, was wiederum zu erheblichen Fehlern bei der Messung der Masse des Schwarzen Lochs führt. Während seiner Postdoc-Forschung am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics verwendete Wu Jianfeng erstmals strenge spektrale und photometrische Beobachtungsmethoden. Er ermittelte den Strahlungsanteil der Akkretionsscheibe durch Spektroskopie und korrigierte mit diesem Anteil die photometrisch ermittelte Lichtkurve, wodurch er die Masse des Schwarzen Lochs genau maß. Er wandte diese Methode auch auf den Doppelstern aus Schwarzen Löchern Nova Muscae 1991 (Nova Muscae 1991) an, korrigierte die vorherigen Abweichungen in der Masse des Schwarzen Lochs und lieferte so ein Modell für zukünftige Massenmessungen von Doppelsternen aus Schwarzen Löchern mit geringer Masse.

Laut Wu Jianfeng stellen die bislang in der Milchstraße entdeckten und zertifizierten Doppelsternsysteme Schwarzer Löcher lediglich die „Spitze des Eisbergs“ der theoretisch vorhergesagten Zahl dar. „Dies zeigt, dass die herkömmliche Methode zur Suche nach Doppelsternen Schwarzer Löcher ineffizient ist und dass es noch immer viele Doppelsterne Schwarzer Löcher gibt, die darauf warten, von uns entdeckt zu werden.“ Daher widmete sich Wu Jianfeng fast zeitgleich als eines der Kernmitglieder des Projekts „Galactic Nucleus Survey“ der Erforschung neuer Methoden zur Entdeckung von Doppelsystemen Schwarzer Löcher. Kern und Zweck bestand darin, Röntgenuntersuchungen und anschließende Beobachtungen mittels optischer Spektroskopie zu kombinieren. Mit dieser Methode wählten er und sein Team schnell eine Gruppe von Kandidaten für Doppelsysteme Schwarzer Löcher aus. Von der Sehnsucht nach dem Sternenhimmel bis hin zur Konzentration auf schwarze Löcher hat Wu Jianfeng seine eigenen Forschungskoordinaten im Sternenhimmel gefunden – er blickt in die Abgründe des Universums und erforscht die Wahrheit über seinen Ursprung.

„Der größte Nutzen ist der Nutzen der Nutzlosigkeit“

Die Frage „Welche praktische Bedeutung hat die Erforschung des Universums?“ wird Wu Jianfeng bereits seit seiner Studienzeit gestellt. Jetzt ist er nach China zurückgekehrt und arbeitet seit mehr als sechs Jahren an der School of Physical Science and Technology der Universität Xiamen. Durch seine jahrelange Forschungserfahrung konnte er sich ein tieferes Wissen und Branchenkenntnisse aneignen. Die Antwort auf die obige Frage hat sich allmählich von „meinen Interessen folgen und meine eigene Neugier befriedigen“ zu acht Worten entwickelt: „Der größte Nutzen ist der Nutzen der Nutzlosigkeit.“

Ist Astronomie nutzlos? Die Existenz oder Nichtexistenz von Schwarzen Löchern hat nichts mit unserem Leben zu tun? Natürlich nicht. Dieses scheinbar ferne und ätherische Naturphänomen bringt oft unbekannte Erkenntnisse hervor und erweitert ständig die Grenzen des menschlichen Geistes und der Vorstellungskraft. Das typischste Beispiel ist die Geburt der Quantenmechanik. Gerade aufgrund dieser Erkenntnis erklärte Wu Jianfeng, dass er diesem Erkundungspfad der „Sternenjagd“ auch in Zukunft treu bleiben werde. Nun hat Wu Jianfeng sein Team dazu angeleitet, die Forschung auf die neu entstehende Grenze der „mittelschweren Schwarzen Löcher“ auszuweiten. Ziel ist es, neue Typen Schwarzer Löcher zu finden und zu identifizieren, deren Massen zwischen den bereits erwähnten stellaren Schwarzen Löchern und denen supermassiver Schwarzer Löcher liegen. Ziel ist es, ein umfassenderes Verständnis der Eigenschaften und Ursprünge der gesamten Population Schwarzer Löcher zu erlangen.

Durch umfangreiche Forschungsarbeit entwickelte Wu Jianfeng nach und nach seine eigene Forschungskompetenz: groß angelegte Himmelsdurchmusterungen und Multibandanalysen. Groß angelegte Himmelsdurchmusterungen stellen den Trend der aktuellen astronomischen Entwicklung dar und ermöglichen der Astronomie den Übergang von einer Ära der Datenknappheit zu einer Ära der Datenfülle. Die Multibandanalyse ist eine weitere wichtige wissenschaftliche Forschungsmethode in der modernen Astronomie. „In der Vergangenheit waren die Informationen über Himmelskörper, die man über ein einzelnes Band erhielt, oft einseitig, wie ein Blinder, der einen Elefanten berührt. Nur durch die Kombination von Daten aus mehreren Bändern und die Analyse der Korrelation zwischen ihnen können wir umfassendere Informationen erhalten“, erklärte er.

Als Lehrer sieht Wu Jianfeng auch seine Aufgabe darin, mehr Menschen die Astronomie näherzubringen. Daher konzentriert er sich nicht nur auf die Entwicklung seiner eigenen wissenschaftlichen Forschungsfähigkeiten, sondern sieht auch die Förderung der astronomischen Kenntnisse der Schüler als Teil seiner eigenen Anforderungen an. Nach seinem Eintritt an die Xiamen-Universität widmete er sich intensiv der Kurslehre und investierte viel Zeit und Energie in die Verbesserung seines Lehrniveaus. Seine Bemühungen zahlten sich aus, denn er gewann den ersten Preis beim Englischlehrwettbewerb der Universität Xiamen (erster Platz in der Gruppe Naturwissenschaften, Ingenieurwesen und Medizin) und die beiden von ihm unterrichteten Grundkurse fanden große Anerkennung. Darunter wurde der allgemeinbildende Kurs „Schwarze Löcher und Gravitationswellen“ als einer der erstklassigen Bachelor-Kurse der Universität Xiamen ausgewählt und eingeladen, einer der erstklassigen Kurse des Zentrums für ästhetische Bildung und Allgemeinbildung der Universität Xiamen zu werden. Ich erinnere mich noch gut daran, wie ich einmal von einer Geschäftsreise zurückkam und am Flughafen auf mein Gepäck wartete. Ein Student kam auf mich zu und sagte „Hallo“, dass er schon einmal meinen Kurs „Schwarze Löcher und Gravitationswellen“ besucht hatte. Ich war sehr glücklich.“ Immer wenn er von diesem Erlebnis erzählt, strahlen seine Augen. Wie das Sprichwort sagt: „Ein goldener oder silberner Pokal ist nicht so gut wie der Ruf eines Schülers.“ Wu Jianfeng ist sich dessen bewusst und hat deshalb in vielen Grundschulen, weiterführenden Schulen und Wissenschafts- und Technologiezentren der Xiamen-Universität und außerhalb der Schule populärwissenschaftliche Vorlesungen gehalten und kleine Astronomievorlesungen organisiert. Die Resonanz auf diese Aktivitäten war ausnahmslos sehr positiv. Er sagte: „Auf diese Weise wird die Astronomie unserem täglichen Leben wirklich nahe sein.“

Neben der Lehre und der wissenschaftlichen Forschung ist auch der öffentliche Dienst ein Teil der Arbeit, die Wu Jianfeng bewusst übernimmt. Wu Jianfeng widmete dem „International Telescope Time Program“ (TAP), das gemeinsam vom National Astronomical Big Science Center und zahlreichen Universitäten betrieben wird, große Anstrengungen. Darüber hinaus fungierte er als rotierender Vorsitzender des wissenschaftlichen Komitees des Projekts, leitete die Prüfung der von verschiedenen Universitäten eingereichten Anträge auf Teleskopbeobachtung und leistete praktische Beiträge zur reibungslosen Umsetzung des Projekts. „Dieses Projekt ist für inländische astronomische Institute eine der wichtigsten Möglichkeiten, Beobachtungszeit an international führenden Teleskopen zu erhalten.“ Dies sagte er über die Bedeutung des Projektfortschritts.

„Tatsächlich mache ich das nicht nur aus praktischen Gründen, sondern auch, weil ich nicht anders kann – ich glaube, dass Astronomen mit Leib und Seele mit dem Sternenhimmel verbunden sein sollten.“ Darüber hinaus behauptete Wu Jianfeng, dass ihm Geschichtsbücher von vielen Bucharten am besten gefallen. „Es ist wichtig zu wissen, warum die Dinge so sind, wie sie sind. Die Entwicklung der Dinge kann oft am intuitivsten ihr Wesen und ihren Kern widerspiegeln.“ Deshalb ist er noch immer genauso besessen davon, die Geschichte des Universums wiederherzustellen wie zu Beginn, denn sie enthält den Ursprung der Menschheit und wird in gewissem Maße die Zukunft der Welt bestimmen.