Wackelndes Schwarzes Loch, das Plasmawolken in den Weltraum spuckt
Fast 8.000 Lichtjahre von der Erde entfernt schießen schwingende Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus der Umgebung eines Schwarzen Lochs heraus und ändern schnell ihre Richtung, während sie Plasmawolken in den Weltraum spritzen. Die Entdeckung dieser Jets stammt von einem internationalen Team von Astronomen der University of Virginia und anderswo im Rahmen eines ehrgeizigen Projekts, das ursprünglich in Charlottesville konzipiert wurde.
Ihre Ergebnisse wurden am Montag in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und zeigen, dass sich Jets aus dem Schwarzen Loch im Doppelsternsystem V404 Cygni in so kurzen Zeiträumen auf eine noch nie dagewesene Weise verhalten.
Dies ist das zweite Mal in einem Monat, dass UVA-Astronomen für die Erforschung und Entdeckung von Schwarzen Löchern in den Schlagzeilen stehen . Anfang April veröffentlichte ein internationales Wissenschaftsteam dank Submillimeterdetektoren, die über Jahre hinweg von Ingenieuren und Astronomen am UVA und am National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville entwickelt wurden, die ersten Bilder eines supermassereichen Schwarzen Lochs.
Der Nature-Bericht vom Montag stammt aus einem Projekt, das in Charlottesville von James Miller-Jones gestartet wurde, ursprünglich Wissenschaftler am National Radio Astronomy Observatory und jetzt Professor an der Curtin University in Perth, Australien; Co-Autor und UVA-Astronomievorsitzender Craig Sarazin; und Greg Sivakoff, der sein Graduierten- und Postdoktorandenstudium an der UVA abschloss, bevor er Professor an der University of Alberta in Edmonton, Kanada, wurde.
Ihren Erkenntnissen zufolge ändern die aus den Regionen um V404 Cygni austretenden Plasmastrahlen in Zeitspannen von Minuten bis Stunden ihre Richtung. Sarazin sagte, die Neuausrichtung der Jets sei auf die sogenannte Lense-Thirring-Präzession zurückzuführen, ein Effekt, der in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Es wird erwartet, dass dieser Effekt in der Nähe eines rotierenden Schwarzen Lochs auftritt und dadurch verursacht wird, dass das rotierende Schwarze Loch bei seiner Rotation Raum und Zeit mit sich zieht. Es wird angenommen, dass dies die erste direkte Beobachtung der Lense-Thirring-Präzession um ein Schwarzes Loch sei, sagte Sarazin.
„Es ist wunderbar, dass wir endlich direkte Beweise für den grundlegenden Effekt gefunden haben, den Einstein und andere vor über einem Jahrhundert vorhergesagt haben“, sagte Sarazin. „Mit dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs mit dem Event Horizon Telescope aufgenommen, war der April ein großartiger Monat sowohl für Herrn Einstein als auch für Schwarze Löcher.“
Ein atypisches Schwarzes Loch
Miller-Jones, Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor am Curtin University-Knotenpunkt des International Center for Radio Astronomy Research, bezeichnete V404 Cygni als „eines der außergewöhnlichsten Schwarzlochsysteme, die mir je begegnet sind“.
„Wie viele Schwarze Löcher ernährt es sich von einem nahegelegenen Stern, zieht Gas vom Stern weg und bildet eine Materialscheibe, die das Schwarze Loch umgibt und sich unter der Schwerkraft spiralförmig auf ihn zubewegt.
„Was bei V404 Cygni anders ist, ist, dass wir denken, dass die Materialscheibe und das Schwarze Loch falsch ausgerichtet sind. Dies scheint dazu zu führen, dass der innere Teil der Scheibe wie ein Kreisel wackelt und Feuer in verschiedene Richtungen austritt, wenn sie ihre Ausrichtung ändert“, sagte Miller-Jones, der diese Animation des Phänomens erzählt.
Die Forschung nutzte Beobachtungen des Very Long Baseline Array, einem Netzwerk aus zehn Radioteleskopen in den Vereinigten Staaten, von den Jungferninseln in der Karibik bis nach Hawaii. Das Array wird vom National Radio Astronomy Observatory betrieben, dessen Hauptsitz sich auf dem Gelände der UVA befindet.
V404 Cygni wurde erstmals 1989 als Schwarzes Loch identifiziert, als es einen großen Ausbruch von Jets und Material ausstieß. Astronomen, die sich archivierte Fotoplatten ansahen, fanden dann frühere Ausbrüche in Beobachtungen aus den Jahren 1938 und 1956.
Miller-Jones sagte, als V404 Cygni im Jahr 2015 einen weiteren sehr hellen Ausbruch erlebte, der zwei Wochen dauerte, schalteten sich Teleskope auf der ganzen Welt ein, um zu untersuchen, was vor sich ging.
„Alle sprangen mit allen Teleskopen, die sie darauf werfen konnten, auf den Ausbruch zu“, sagte er. „Wir haben also diese erstaunliche Beobachtungsberichterstattung.“
Als Miller-Jones, Sarazin und ihr Team das Schwarze Loch untersuchten, sahen sie, wie sich seine Jets auf eine noch nie dagewesene Weise verhielten.
Man geht normalerweise davon aus, dass Jets direkt aus den Polen von Schwarzen Löchern herausschießen, doch diese Jets schossen zu unterschiedlichen Zeiten in verschiedene Richtungen. Und sie wechselten sehr schnell die Richtung – innerhalb von nur ein paar Stunden. Die Studie führt diese Änderung in der Bewegung der Jets auf die Akkretionsscheibe zurück, die rotierende Materiescheibe um ein Schwarzes Loch. Laut der Studie ist die Akkretionsscheibe von V404 Cygni 10 Millionen Kilometer breit und die inneren paar tausend Kilometer waren während des hellen Ausbruchs aufgebläht und wackelten.
Co-Autor Alex Tetarenko, ein in Hawaii arbeitender Ostasiatischer Observatoriumsstipendiat, sagte, die Geschwindigkeit, mit der die Jets ihre Richtung änderten, bedeute, dass die Wissenschaftler bei den meisten Radiobeobachtungen einen ganz anderen Ansatz wählen müssten.
„Normalerweise erzeugen Radioteleskope ein einziges Bild aus mehreren Beobachtungsstunden“, sagte sie. „Aber diese Jets veränderten sich so schnell, dass wir auf einem vierstündigen Bild nur eine Unschärfe sahen.
„Es war, als würde man versuchen, einen Wasserfall mit einer Verschlusszeit von einer Sekunde zu fotografieren.“
Stattdessen produzierten die Forscher 103 Einzelbilder von jeweils etwa 70 Sekunden Länge und fügten sie zu einem Film zusammen.
„Nur dadurch konnten wir diese Veränderungen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums beobachten“, sagte Tetarenko.
Die extreme Helligkeit des Schwarzen Lochs V404 Cygni machte ihre Entdeckung möglich, sagte Sarazin, zusammen mit ihrer Fähigkeit, unglaublich scharfe Radiobilder mit sehr kurzen, wiederholten Beobachtungen etwa jede Minute zu erzeugen.
„Diese Radiojets veranschaulichen die paradoxe Natur von Schwarzen Löchern“, sagte Sarazin. „Obwohl nichts, nicht einmal Licht, aus dem Inneren eines Schwarzen Lochs entkommen kann, stößt Gas, das im Begriff ist, in das Schwarze Loch zu fallen, große Mengen Licht aus. Somit sind Schwarze Löcher sowohl die schwärzesten Objekte im Universum als auch die hellsten Glühbirnen.
„Auch wenn einem Schwarzen Loch nichts entkommt, kann ein Teil des Gases, das kurz davor steht, in ein Schwarzes Loch zu fallen, mit 99,999 % der Lichtgeschwindigkeit in Jets ausgestoßen werden.“ Schwarze Löcher sind gleichzeitig die besten Müllentsorgungsanlagen und die stärksten Kanonen des Universums.“