Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße ähnelt einem Fußball

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Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße dreht sich so schnell, dass es die es umgebende Raumzeit in eine Form verzerrt, die wie ein Fußball aussehen kann, so eine neue Studie, die Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA und des US National nutzt Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der Science Foundation. Diese Fußballform deutet darauf hin, dass sich das Schwarze Loch mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit dreht, die nach Schätzungen der Forscher bei etwa 60 % seiner potenziellen Grenze liegt.

Die Arbeit unter der Leitung von Ruth Daly, Professorin für Physik an der Penn State Berks, wurde im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Astronomen nennen dieses riesige Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*). Er befindet sich etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Zentrum der Galaxie. Um zu bestimmen, wie schnell sich Sgr A* dreht – eine seiner grundlegenden Eigenschaften neben der Masse – verwendeten die Forscher eine Methode, die Röntgen- und Radiodaten nutzt, um zu beurteilen, wie Material auf das Schwarze Loch zu und von diesem weg fließt. Die Methode wurde 2019 von Daly entwickelt und veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal.

„Unsere Arbeit könnte dazu beitragen, die Frage zu klären, wie schnell sich das supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie dreht“, sagte Daly. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Sgr A* sehr schnell dreht, was interessant ist und weitreichende Auswirkungen hat.“

Das Team stellte fest, dass die Winkelgeschwindigkeit – die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde – des Spins von Sgr A* etwa 60 % des maximal möglichen Wertes beträgt, ein Grenzwert, der festgelegt wurde, weil sich Material nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann.

Frühere Schätzungen der Geschwindigkeit von Sgr A* wurden mit verschiedenen Techniken und von anderen Astronomen durchgeführt. Die Ergebnisse reichten von überhaupt keiner Rotation bis hin zu einer Rotation mit fast maximaler Geschwindigkeit.

„Diese Arbeit zeigt jedoch, dass sich dies ändern könnte, wenn die Materialmenge in der Nähe von Sgr A* zunimmt“, sagte Daly.

Wenn sich ein Schwarzes Loch dreht, zieht es „Raumzeit“ – die Kombination aus Zeit und den drei Dimensionen des Raums – und Materie in der Nähe an sich. Die Anziehungskraft drückt auch die Raumzeit zusammen und verändert ihre Form, je nachdem, wie sie beobachtet wird. Die Raumzeit erscheint kreisförmig, wenn man das Schwarze Loch von oben betrachtet. Von der Seite betrachtet hat die Raumzeit jedoch die Form eines Fußballs. Je schneller die Drehung, desto flacher der Fußball.

Der Spin könne auch als Energiequelle dienen, sagte Daly, wenn sich in der Nähe des Schwarzen Lochs Materie – etwa Gas oder die Überreste eines zu nahe wandernden Sterns – befinde. Während sich das Schwarze Loch dreht, kann Materie in Form schmaler Jets, sogenannter kollimierter Ausflüsse, austreten. Allerdings verfügt Sgr A* derzeit nur über begrenzte Materie in der Nähe, sodass das Schwarze Loch in den letzten Jahrtausenden relativ ruhig war und nur schwach kollimierte Ausflüsse aufwies.

„Ein rotierendes Schwarzes Loch ist wie eine Rakete auf der Startrampe“, sagte Biny Sebastian, Co-Autor von der University of Manitoba in Winnipeg, Kanada. „Sobald das Material nah genug herankommt, ist es, als hätte jemand die Rakete betankt und den ‚Start‘-Knopf gedrückt.“

Das heißt, wenn sich in Zukunft die Eigenschaften der Materie und die Magnetfeldstärke in der Nähe des Schwarzen Lochs ändern, könnte ein Teil der enormen Energie des Spins des Schwarzen Lochs stärkere Ausflüsse antreiben. Dieses Ausgangsmaterial könnte aus Gas oder aus den Überresten eines Sterns stammen, der durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs auseinandergerissen wird, wenn dieser Stern zu nahe an Sgr A* wandert.

„Jets, die von dem rotierenden zentralen Schwarzen Loch einer Galaxie angetrieben und kollimiert werden, können die Gasversorgung einer ganzen Galaxie tiefgreifend beeinflussen, was sich darauf auswirkt, wie schnell und sogar ob sich Sterne bilden können“, sagte Co-Autorin Megan Donahue von der Michigan State University. „Die ‚Fermi-Blasen‘, die in Röntgen- und Gammastrahlen rund um das Schwarze Loch unserer Milchstraße zu sehen sind, zeigen, dass das Schwarze Loch wahrscheinlich in der Vergangenheit aktiv war. Die Messung der Drehung unseres Schwarzen Lochs ist ein wichtiger Test für dieses Szenario.“

Fermi-Blasen beziehen sich auf Strukturen, die Gammastrahlen über und unter dem Schwarzen Loch aussenden, von denen Forscher vermuteten, dass sie aus früheren massiven Ausflüssen entstanden sind.

Um den Spin von Sgr A* zu bestimmen, verwendeten die Forscher die Outflow-Methode. Dalys Ansatz berücksichtigt die Beziehung zwischen dem Spin des Schwarzen Lochs und seiner Masse, den Eigenschaften der Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs und den Ausflusseigenschaften. Der gebündelte Ausfluss erzeugt die Radiowellen, während die das Schwarze Loch umgebende Gasscheibe Röntgenstrahlen aussendet. Die Forscher kombinierten Beobachtungsdaten von Chandra und dem VLA mit einer unabhängigen Schätzung der Masse des Schwarzen Lochs von anderen Teleskopen, um die Ausflussmethode zu informieren und den Spin des Schwarzen Lochs zu bestimmen.

„Wir haben eine besondere Sicht auf Sgr A*, weil es das uns am nächsten gelegene supermassereiche Schwarze Loch ist“, sagte Co-Autorin Anan Lu von der McGill University in Montreal, Kanada. „Obwohl es im Moment ruhig ist, zeigen unsere Arbeiten, dass es der umgebenden Materie in Zukunft einen unglaublich starken Stoß versetzen wird. Das könnte in tausend oder einer Million Jahren passieren, oder es könnte noch zu unseren Lebzeiten passieren.“

Zu den Co-Autoren zählen neben den oben genannten auch Christopher O’Dea von der University of Manitoba und Daryl Haggard von der McGill University.

Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert den wissenschaftlichen Betrieb von Cambridge, Massachusetts, und den Flugbetrieb von Burlington, Massachusetts.



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