Können Schwarze Löcher ungestraft Materie verschlingen? falsch! Erfahren Sie mehr über magnetisch gefangene Akkretionsscheiben

Das gewaltige und unermessliche Universum zieht unzählige Wissenschaftler an, die ihr ganzes Leben damit verbringen, es zu erforschen. Das geheimnisvollste davon ist die tiefe, in der Dunkelheit verborgene „Höhle“ – das schwarze Loch. Als ultimativer Himmelskörper der modernen Physik sorgt die gewaltige Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs dafür, dass es wie ein gefräßiges Tier alles im Universum verschlingt, und nicht einmal Licht kann ihm entkommen. Bereits im Jahr 1783 stellte der britische Wissenschaftler John Michell die These auf, dass „wenn ein Himmelskörper die gleiche Dichte wie die Sonne hat und 500-mal größer als die Sonne ist, dann kann kein Licht aus diesem Himmelskörper entweichen.“ Zur gleichen Zeit machte der französische Wissenschaftler Pierre-Simon Laplace 1796 in seinem „System der Welt“ eine ähnliche Vorhersage. Im Jahr 1799 legte er ein detailliertes Berechnungsverfahren vor und gelangte zu dem Schluss, dass „ein Himmelskörper mit der gleichen Dichte wie die Erde (viermal so hoch wie die Dichte der Sonne) und der 250-fachen Größe der Sonne Licht einfangen kann.“ Auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagte die Existenz solcher Himmelskörper voraus. Auf einer Konferenz im Jahr 1967 nannte der amerikanische Physiker John Wheeler diesen Himmelskörper ein „Schwarzes Loch“.

Und heute machen Wissenschaftler immer weitere Fortschritte bei der Erforschung der Geheimnisse der Schwarzen Löcher. Kürzlich nutzten chinesische Astronomen Daten aus Multiband-Beobachtungen, um den Magnetfeldtransport um ein Schwarzes Loch und den Entstehungsprozess einer magnetischen Einschlussscheibe aufzudecken. Die Forschungsergebnisse wurden am 1. September in der weltweit maßgeblichen Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

01 Können wir schwarze Löcher sehen? fähig! Akkretion ermöglicht es uns, Schwarze Löcher zu „sehen“

Die Materie um ein Schwarzes Loch wird aufgrund der enormen Gravitationskraft vom Schwarzen Loch „eingefangen“. Dieses Phänomen wird als „Akkretion schwarzer Löcher“ bezeichnet. Anstatt im freien Fall in das Schwarze Loch zu fallen, bildet die akkretierte Materie eine Akkretionsscheibe, rotiert um das Schwarze Loch und wird schließlich von diesem verschluckt (stellen Sie sich das Wasser in Ihrer Siphon-Toilette vor).

Aus massereichen Sternen werden sich schließlich schwarze Löcher mit Massen entwickeln, die zwischen mehreren und zwanzig- bis dreißigmal so groß sind wie die der Sonne. Wenn sich in einem Doppelsternsystem, in dem zwei Sterne einander umkreisen, einer der Sterne zu einem Schwarzen Loch entwickelt, wird die Materie des anderen Sterns vom Schwarzen Loch angesammelt, wenn dieser nahe genug am Schwarzen Loch ist. Die dabei entstehende Akkretionsscheibe weist eine sehr hohe Temperatur auf, wobei im innersten Bereich sogar mehrere zehn Millionen Grad erreicht werden. Er sendet sehr starke Röntgenstrahlen aus, weshalb diese Art von Doppelstern auch als Röntgendoppelstern mit schwarzen Löchern bezeichnet wird . Natürlich beschränkt sich ihre Strahlung nicht nur auf Röntgenstrahlen, sondern deckt nahezu das gesamte elektromagnetische Band ab.

Astronomen gehen davon aus, dass es in unserer Galaxie in Doppelsternsystemen mehrere zehn Millionen schwarze Löcher geben könnte, doch bisher hat man nur ein paar Dutzend davon entdeckt . Es ist möglich, dass die meisten von ihnen keine oder nur sehr wenig Materie von ihren Begleitsternen ansammeln, sodass wir sie „nicht sehen“ können .

Die meisten Röntgendoppelsterne Schwarzer Löcher verbleiben über lange Zeiträume inaktiv, wobei das Schwarze Loch nur eine geringe Menge an Materie ansammelt. Wenn sich Materie in der Akkretionsscheibe ansammelt und einen bestimmten kritischen Punkt erreicht, wird die Instabilität der Akkretionsscheibe ausgelöst und sie gerät in einen explosiven Zustand. Dabei gelangt eine große Menge Materie in den inneren Bereich der Akkretionsscheibe, strahlt starke Röntgenstrahlung aus und stürzt schließlich in das Schwarze Loch. Die Helligkeit während einer Explosion kann im Vergleich zum Ruhezustand um das Zehntausende- oder sogar Millionenfache zunehmen.

Im März 2018 trat im etwa 10.000 Lichtjahre von uns entfernten Schwarzen Loch (Röntgendoppelstern MAXI J1820+070) ein Ausbruchszustand ein. Nahe dem Höhepunkt des Ausbruchs war es die hellste Röntgenquelle am Himmel (siehe Video 1). Viele Teleskope auf der ganzen Welt haben den Ausbruch beobachtet, unter anderem im Radio-, Infrarot-, optischen, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich. Auch der erste Röntgensatellit meines Landes, Insight, überwachte den Ausbruch kontinuierlich. Auf der Grundlage dieser großen Mengen an Beobachtungsdaten können Astronomen die Eigenschaften von Schwarzen Löchern sowie deren Akkretion und Jets untersuchen.

Video 1: Jeder Punkt ist eine Röntgenquelle und die Größe des Punkts stellt die Helligkeit dar. Der rote Punkt ist das Schwarze Loch im Röntgendoppelstern MAXI J1820+070, und die Kurve darunter zeigt seine Helligkeitsänderung im Laufe der Zeit (der Hintergrund der Milchstraße stammt von ESA/Gaia/DPAC).

02 Wie bewegt sich die Akkretionsscheibe? Wie viel Materie kann akkretiert werden? Das Magnetfeld um ein Schwarzes Loch hat eine große Bedeutung!

Magnetfelder gibt es überall im Universum. Unsere Sonne hat ein Magnetfeld. Das Magnetfeld in ruhigen Gebieten beträgt etwa 1-2 Gauß, während das Magnetfeld in Sonnenfleckengebieten drei- bis viertausend Gauß erreichen kann. Ein als Magnetar bezeichneter Himmelskörpertyp besitzt das stärkste Magnetfeld im Universum und erreicht eine Stärke von 10 hoch 15 Gauß.

Gemäß dem Black Hole No Hair Theorem besitzt ein Schwarzes Loch selbst kein Magnetfeld. Die von einem Schwarzen Loch akkretierte Materie befindet sich normalerweise in einem Plasmazustand, der ein Magnetfeld trägt. Diese ungeordneten mikroskopischen Magnetfelder können dazu führen, dass Materie ihren Drehimpuls verliert und allmählich in das Schwarze Loch fällt.

Man geht davon aus, dass es um Schwarze Löcher herum ein ausgedehntes Magnetfeld geben sollte. Einer der wichtigen Gründe besteht darin, dass zur Erzeugung von Jets ein großflächiges Magnetfeld erforderlich ist. Wenn sich geladene Teilchen in diesem großflächigen Magnetfeld bewegen, wird die erzeugte Strahlung polarisiert. Durch Radiopolarisationsbeobachtungen wissen wir, dass es im Jet eines supermassiven Schwarzen Lochs tatsächlich ein großräumiges Magnetfeld gibt.

Auf der 2021 veröffentlichten Polarisationsfotografie des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 wurde festgestellt, dass sich in der Nähe des Schwarzen Lochs auch ein großräumiges Magnetfeld befindet (Abbildung 1). Was die Röntgendoppelsterne der Schwarzen Löcher in der Milchstraße betrifft, so sind sie zwar näher, aber mit unseren derzeitigen Teleskopen nicht abbildbar, weil die Schwarzen Löcher zu klein sind.

Das Vorhandensein großräumiger Magnetfelder wird erhebliche Auswirkungen auf den Akkretionsfluss in der Nähe des Schwarzen Lochs haben, etwa auf die Radialgeschwindigkeit (radiale Migration ist die Bewegung in Richtung des Schwarzen Lochs) und die Akkretionsrate (die pro Zeiteinheit akkretierte Masse) , und wird außerdem sehr starke Ausflüsse (nach außen bewegte Materie) erzeugen. Daher bringt die Existenz eines Magnetfelds viele andere Beobachtungseffekte mit sich.

Abbildung 1. Polarisiertes Beobachtungsbild des supermassiven Schwarzen Lochs und seines Jets im Zentrum der Galaxie M87. Die geschwungenen hellen Streifen zeigen die Verteilung großräumiger Magnetfelder. Das obere Bild zeigt einen Jet im Maßstab 1.300 Lichtjahre, das mittlere Bild einen Jet im Maßstab 0,25 Lichtjahre und das untere Bild einen Maßstab von 0,0063 Lichtjahren (400 AE) um das Schwarze Loch. (Bildnachweis: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; JC Algaba, I. Martí-Vidal)

03 „Verrückte“ Akkretion: Die Entstehung magnetisch gefangener Akkretionsscheiben

Astronomen gehen im Allgemeinen davon aus, dass im äußeren Bereich der Akkretionsscheibe ein relativ schwaches großräumiges Magnetfeld vorhanden ist, das sich mit dem Akkretionsfluss nach innen bewegt. Da Schwarze Löcher nur Materie „verschlucken“, aber keine Magnetfelder, sammelt sich das Magnetfeld in der Nähe des Schwarzen Lochs und nimmt allmählich zu.

Es gibt einen Typ von Akkretionsfluss, der als Advektionsdominierter Akkretionsfluss (ADAF) bezeichnet wird und bei dem Materie, wie der Name schon sagt, sehr schnell in das Schwarze Loch fällt. Das schwache externe Magnetfeld wird vom Akkretionsfluss mitgerissen und nimmt in der Nähe des Schwarzen Lochs schnell zu. Wenn die elektromagnetische Kraft des Magnetfelds auf die anwachsende Materie der Gravitationskraft des Schwarzen Lochs entgegenwirken kann, verringert sich die Geschwindigkeit, mit der die Materie in das Schwarze Loch fällt, erheblich, vielleicht auf nur ein Zehntel oder sogar ein Hundertstel der ursprünglichen Geschwindigkeit – genau so, als wäre sie durch das Magnetfeld gefangen. Dies wird als magnetisch festgehaltene Scheibe (MAD) bezeichnet – ein „verrückter“ Akkretionsfluss .

Forscher der Universitäten Wuhan und Zhejiang sowie des Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften analysierten Multibanddaten des Ausbruchs des Schwarzen Lochs im Röntgendoppelstern MAXI J1820+070 und enthüllten den Prozess der allmählichen Ausdehnung und des Magnetfeldtransports des radial dominierten Akkretionsflusses. Berechnungsergebnisse zeigen, dass sich seine Größe in etwas mehr als zehn Tagen 30-mal vergrößert hat. Je größer die Größe, desto einfacher ist es, das äußere schwache Magnetfeld schnell in den inneren Bereich des Akkretionsflusses zu bringen, wodurch die Magnetfeldstärke im innersten Bereich schließlich den Standard einer magnetisch gefangenen Akkretionsscheibe erreicht (Video 2).

Video 2: Während sich der radial dominierte Akkretionsfluss ausdehnt, wird das Magnetfeld schnell in den inneren Bereich des Akkretionsflusses gebracht, wo schließlich eine magnetisch gefangene Akkretionsscheibe (MAD) entsteht. Das Video stammt aus dem Artikel https://doi.org/10.1126/science.abo4504.

Schwarze Löcher, die scheinbar nichts mit dem alltäglichen Leben zu tun haben, sind eines der Schlüsselthemen bei der Erforschung des Ursprungs, der Entwicklung und der Struktur des Universums und haben einen tiefgreifenden Einfluss auf den Fortschritt von Wissenschaft, Technologie und sogar auf die menschliche Produktion und Lebensweise. Das Verständnis der Menschheit für Zeit und Raum ist heute noch lange nicht vollständig. Die Erforschung des Unbekannten treibt Wissenschaftler dazu, mutig zu versuchen, die Fesseln des Denkens über die Grenzen des Universums zu sprengen und so weitere große Entdeckungen zu machen.

Autor: Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: You Bei, Außerordentlicher Professor, Fakultät für Physikalische Wissenschaften und Technologie, Universität Wuhan

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