Chinas neueste Entdeckung mit „Smart Eyes“! Das von der Fakultät für Astronomie der Universität Wuhan geleitete Team hat neue Erfolge in der Schwarzlochforschung erzielt!

Am 1. September veröffentlichte die weltweit führende Fachzeitschrift „Science“ in einem langen Artikel die neuesten Forschungsergebnisse zu den Magnetfeldern der Akkretion Schwarzer Löcher eines internationalen Teams unter der Leitung von You Bei vom Institut für Astronomie der Universität Wuhan. Der Titel des Artikels lautet: „Beobachtungen von Röntgendoppelsternen Schwarzer Löcher enthüllen den Entstehungsprozess magnetisch gefangener Akkretionsscheiben.“

In dieser Studie wurden Beobachtungsdaten des ersten Röntgensatelliten meines Landes, Insight, sowie kombinierte Beobachtungen von erdgebundenen Radio- und optischen Teleskopen verwendet, um direkte Beobachtungsbeweise für den Entstehungsprozess einer magnetisch gefangenen Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch zu finden.

Die Wuhan-Universität ist die erste unterzeichnende Institution dieses Papiers und Associate Professor You Bei ist der Erstautor. You Bei, Professor Cao Xinwu von der Zhejiang-Universität und Forscher Yan Zhen vom Shanghai Astronomical Observatory sind die Co-Korrespondenzautoren. Zu den Mitarbeitern gehören der Forscher Jean-Marie Hameury vom Straßburger Observatorium in Frankreich, Professor Bozena Czerny vom Polnischen Zentrum für Theoretische Physik, Wu Yue und Xia Tianyu, Studenten des Jahrgangs 2017 der Universität Wuhan, Professor Marek Sikora und Professor Piotr T. Zycki vom Astronomischen Zentrum Copernicus der Polnischen Akademie der Wissenschaften sowie die Forscher Zhang Shuangnan und Du Pu vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Der physikalische Vorgang, bei dem ein Schwarzes Loch Gas einfängt, wird als „Akkretion“ bezeichnet, und das Gas, das auf das Schwarze Loch zufällt, wird als Akkretionsstrom bezeichnet, der sich in einem Plasmazustand befindet. Der Viskositätsprozess im Akkretionsfluss kann seine Gravitationspotentialenergie effektiv freisetzen und sie teilweise in Strahlungsenergie umwandeln, wodurch eine Mehrbandstrahlung erzeugt wird, die von erdgebundenen und Weltraumteleskopen beobachtet werden kann. Daher bekunden Schwarze Löcher ihre Existenz indirekt durch die Ansammlung von Gas. Die Beobachtung dieser Strahlung ist zu einer wichtigen Methode zur Untersuchung Schwarzer Löcher geworden.

Im Jahr 2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration das erste Foto eines Schwarzen Lochs in der Geschichte der Menschheit (M87) und enthüllte damit das Geheimnis der Schwarzen Löcher, die wir „sehen“ können, und ihrer Umgebung. Allerdings gibt es auch ein „unsichtbares“ Magnetfeld um das Schwarze Loch. Wenn ein Schwarzes Loch Gas ansammelt, zieht es auch sein Magnetfeld nach innen. Die Theorie besagt, dass sich das Magnetfeld im inneren Bereich des Akkretionsflusses allmählich verstärkt, da das akkretierende Gas weiterhin ein schwaches externes Magnetfeld einbringt. Dementsprechend wird die nach außen gerichtete magnetische Kraft des Magnetfelds auf den Akkretionsfluss allmählich zunehmen und schließlich der nach innen gerichteten Gravitationskraft des Schwarzen Lochs entgegenwirken. Zu diesem Zeitpunkt wird die akkretierende Materie durch das Magnetfeld gefangen und kann nicht frei und schnell in den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs fallen, wodurch eine magnetische Einschlussscheibe entsteht. Das theoretische Modell der magnetischen Einschlussscheibe ist sehr ausgereift und erklärt erfolgreich viele komplexe Beobachtungsphänomene von Akkretionssystemen Schwarzer Löcher. Es gibt jedoch keine direkten Beobachtungsbeweise für die Existenz magnetischer gefangener Scheiben, und die Entstehung magnetischer gefangener Scheiben bleibt ein ungelöstes Rätsel. Mehrere Studien haben darauf hingewiesen, dass sich um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 möglicherweise eine magnetische Einschlussscheibe befindet. Obwohl die Beobachtungen von M87 mit extrem hoher Auflösung durch das EHT Informationen über das Magnetfeld in der Nähe des Schwarzen Lochs lieferten (wie etwa seine Position), konnte die Existenz einer magnetischen Einschlussscheibe dennoch nicht bestätigt werden.

Zusätzlich zu den supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien gibt es im Universum auch Schwarze Löcher mit Sternmasse. Derzeit haben Astronomen in vielen Doppelsternsystemen die Existenz von Schwarzen Löchern mit Sternmasse festgestellt, deren Masse im Allgemeinen etwa zehnmal so groß ist wie die der Sonne. Das Forschungsteam verwendete Multiband-Beobachtungsdaten des Ausbruchs des Schwarzen Loch-Röntgendoppelsterns MAXI J1820+070, um ein beispielloses Langzeitverzögerungsphänomen zu beobachten: Die Radiostrahlung des Jets und die optische Strahlung des äußeren Bereichs des Akkretionsflusses hinkten der harten Röntgenstrahlung des Hochtemperaturgases im inneren Bereich des Akkretionsflusses (heißer Akkretionsfluss) um etwa 8 bzw. 17 Tage hinterher. Das Forscherteam wies darauf hin, dass das schwache Magnetfeld im äußeren Bereich der Akkretionsscheibe durch den thermischen Akkretionsfluss um das Schwarze Loch verstärkt wird. Je größer der radiale Maßstab des Akkretionsflusses ist, desto deutlicher ist die Verstärkung des Magnetfelds. Durch die Analyse von Röntgenbeobachtungsdaten stellte das Forschungsteam fest, dass die harte Röntgenstrahlung mit abnehmender Akkretionsrate abnimmt, während sich die radiale Ausdehnung des heißen Akkretionsflusses mit abnehmender Akkretionsrate rasch ausdehnt, was zu einer raschen Verstärkung des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs führt und so etwa acht Tage nach dem Höhepunkt der harten Röntgenstrahlung eine magnetische Einschlussscheibe bildet.

Diese Arbeit enthüllte zum ersten Mal den Magnetfeldtransportprozess im Akkretionsfluss und den vollständigen Prozess der Bildung einer magnetischen Einschlussscheibe im heißen Akkretionsfluss in der Nähe eines Schwarzen Lochs. Daher handelt es sich um den bislang direktesten durch Beobachtungen gewonnenen Beweis für die Existenz magnetischer gefangener Scheiben. Aufgrund der Universalität physikalischer Prozesse wird dieses Forschungsergebnis das Verständnis zentraler wissenschaftlicher Fragen wie der Entstehung großräumiger Magnetfelder in Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher unterschiedlicher Stärke und des Jet-Beschleunigungsmechanismus erheblich voranbringen.

Darüber hinaus konnte das Forschungsteam durch numerische Simulationen des Ausbruchsprozesses eines Röntgendoppelsterns Schwarzer Löcher erstmals zeigen, dass gegen Ende der Akkretion des Schwarzen Lochs aufgrund der Bestrahlung mit harten Röntgenstrahlen mehr akkretierende Materie im äußeren Bereich beschleunigt wird und aufgrund von Instabilität auf das Schwarze Loch zufällt. Dadurch werden optische Blitze im äußeren Bereich des Akkretionsflusses verursacht, deren Höhepunkt etwa 17 Tage hinter dem Höhepunkt der harten Röntgenstrahlung des thermischen Akkretionsflusses zurückbleibt.

Chinas Smart Eye hat bemerkenswerte Erfolge erzielt

„Hitomi“ ist das erste Weltraum-Röntgenteleskop meines Landes und das Abschlusswerk der ersten Phase des Weltraumforschungs-Pilotprojekts. Sein Name impliziert nicht nur, dass China eine „einzigartige Vision“ im Weltraum hat, sondern ist auch eine Erinnerung an unsere Wissenschaftlerin He Zehui. Im Juni 2017 wurde das Hartröntgenmodulationsteleskop Insight-HXMT ins All geschossen und erreichte eine erdnahe Kreisumlaufbahn mit einer Höhe von 550 Kilometern und einer Neigung von 43°. Nach mehr als einem halben Jahr der Verifizierung und Prüfung wurde das Insight-HXMT im Januar 2018 offiziell in Betrieb genommen. Es ist für chinesische Wissenschaftler zu einem leistungsstarken Werkzeug geworden, um den Sternenhimmel zu beobachten und das Universum zu erforschen. Darüber hinaus ist es das Röntgenmodulationsteleskop der Welt mit dem breitesten Spektrummessbereich und dem höchsten Auflösungsvermögen.

Bis zum 30. Juni 2019 hat Insight die galaktische Ebene mehr als 1.000 Mal gescannt und die langfristigen Flussänderungen von mehr als 600 Röntgenquellen überwacht und bekannt gegeben. führte Fixpunktbeobachtungen von mehr als 60 Röntgenobjekten verschiedener Typen durch und erzielte wichtige Fortschritte in der Forschung zur Beobachtung harter Röntgenstrahlen bei Messungen des Magnetfelds von Neutronensternen, quasi-periodischen Schwingungen der Akkretion Schwarzer Löcher und thermonuklearen Ausbrüchen von Neutronensternen; mehr als 170 Gammastrahlenausbrüche entdeckt; und die Genauigkeit der Pulsar-Navigations-Orbitbestimmung erreichte das beste internationale Niveau.

Seit 2020 haben viele Entdeckungen von Insight die Welt in Erstaunen versetzt. Im Februar 2021 bestätigte der Satellit Insight-HXMT, dass der mit dem schnellen Radioblitz mit der Nummer FRB 200428 verbundene Röntgenausbruch von einem Magnetar mit der Nummer SGR J1935+2154 in der Milchstraße stammte. Er war der erste Satellit weltweit, der bestätigte, dass die beiden im Röntgenblitz enthaltenen Röntgenimpulse die hochenergetischen Gegenstücke des schnellen Radioblitzes waren. Im August 2022 hat das wissenschaftliche Team von HXMT/Insight direkt das stärkste Magnetfeld im Universum nachgewiesen, das etwa 60 % höher ist als der Rekord für die stärkste Magnetfeldmessung, der zuvor vom Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) der NASA gehalten wurde.

Umfassende Quellen: Wuhan University, CCTV News, Digital Beijing Science Center, Science and Technology Daily, National Space Science Center usw.