Ein wogendes Leuchten in einer fernen Galaxie könnte unsere Sichtweise auf Schwarze Löcher verändern

In der als 1ES 1927+654 bekannten Galaxie ist etwas Seltsames im Gange: Ende 2017 durchlief das supermassereiche Schwarze Loch, das im Herzen dieser Galaxie sitzt, aus Gründen, die Wissenschaftler nicht erklären konnten, eine massive Identitätskrise. Über einen Zeitraum von Monaten wurde das bereits helle Objekt, das so hell ist, dass es zu einer Klasse von Schwarzen Löchern gehört, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bekannt sind, plötzlich viel heller – es leuchtete fast 100-mal mehr als normal im sichtbaren Licht .

Jetzt hat ein internationales Team von Astrophysikern, darunter Wissenschaftler der CU Boulder, möglicherweise die Ursache dieser Verschiebung ermittelt. Die Magnetfeldlinien, die sich durch das Schwarze Loch ziehen, scheinen auf den Kopf gestellt worden zu sein, was eine schnelle, aber kurzlebige Änderung der Eigenschaften des Objekts verursacht. Es war, als würden die Kompasse auf der Erde plötzlich nach Süden statt nach Norden zeigen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht am 5. Mai in Das Astrophysikalische Journalkönnte die Sichtweise von Wissenschaftlern auf supermassereiche Schwarze Löcher verändern, sagte der Co-Autor der Studie, Nicolas Scepi.

„Normalerweise würden wir erwarten, dass sich Schwarze Löcher über Millionen von Jahren entwickeln“, sagte Scepi, ein Postdoktorand am JILA, einem gemeinsamen Forschungsinstitut von CU Boulder und dem National Institute of Standards and Technology (NIST). „Aber diese Objekte, die wir AGNs mit veränderlichem Aussehen nennen, entwickeln sich in sehr kurzen Zeitskalen. Ihre Magnetfelder könnten der Schlüssel zum Verständnis dieser schnellen Entwicklung sein.“

Scepi stellte zusammen mit den JILA Fellows Mitchell Begelman und Jason Dexter zunächst die Theorie auf, dass ein solches magnetisches Flip-Flop im Jahr 2021 möglich sein könnte.

Die neue Studie unterstützt die Idee. Darin sammelte ein Team unter der Leitung von Sibasish Laha vom Goddard Space Flight Center der NASA die bisher umfassendsten Daten zu diesem weit entfernten Objekt. Die Gruppe stützte sich auf Beobachtungen von sieben Teleskopanordnungen am Boden und im Weltraum und verfolgte den Strahlungsfluss von 1ES 1927+654, als das AGN hell aufleuchtete und dann wieder dunkler wurde.

Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Magnetfelder von supermassereichen Schwarzen Löchern viel dynamischer sein könnten, als Wissenschaftler einst glaubten. Und, so Begelman, ist dieses AGN wahrscheinlich nicht allein.

„Wenn wir das in einem Fall gesehen haben, werden wir es definitiv wieder sehen“, sagte Begelman, Professor am Department of Astrophysical and Planetary Sciences (APS). „Jetzt wissen wir, wonach wir suchen müssen.“

Ein ungewöhnliches Schwarzes Loch

Begelman erklärte, dass AGNs aus einer der extremsten Physik im bekannten Universum hervorgegangen sind.

Diese Monster entstehen, wenn supermassereiche Schwarze Löcher beginnen, riesige Mengen Gas aus den sie umgebenden Galaxien einzusaugen. Wie Wasser, das einen Abfluss umkreist, dreht sich dieses Material immer schneller, je näher es dem Schwarzen Loch kommt, und bildet eine helle „Akkretionsscheibe“, die eine intensive und vielfältige Strahlung erzeugt, die Wissenschaftler aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung sehen können.

Diese Akkretionsscheiben führen auch zu einem merkwürdigen Merkmal: Sie erzeugen starke Magnetfelder, die sich um das zentrale Schwarze Loch wickeln und wie das eigene Magnetfeld der Erde in eine bestimmte Richtung zeigen, z. B. nach Norden oder Süden.

„Es gibt zunehmend Hinweise aus dem Event Horizon Telescope und anderen Beobachtungen, dass Magnetfelder eine Schlüsselrolle dabei spielen könnten, wie Gas auf Schwarze Löcher fällt“, sagte Dexter, Assistenzprofessor bei APS.

Das könnte auch beeinflussen, wie hell ein AGN, wie das im Herzen von 1ES 1927+654, durch Teleskope aussieht.

Bis Mai 2018 hatte der Energieschub dieses Objekts einen Höhepunkt erreicht und mehr sichtbares Licht, aber auch viel mehr ultraviolette Strahlung als gewöhnlich ausgestoßen. Etwa zur gleichen Zeit begannen die Röntgenemissionen des AGN nachzulassen.

„Wenn das Ultraviolett ansteigt, steigen normalerweise auch Ihre Röntgenstrahlen an“, sagte Scepi. „Aber hier stieg das Ultraviolett, während das Röntgen stark abnahm. Das ist sehr ungewöhnlich.“

Auf den Kopf stellen

Forscher von JILA haben in einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie eine mögliche Antwort auf dieses ungewöhnliche Verhalten vorgeschlagen.

Begelman erklärte, dass diese Strukturen ständig Gas aus dem Weltraum ansaugen, und ein Teil dieses Gases trägt auch Magnetfelder. Wenn das AGN Magnetfelder anzieht, die in die entgegengesetzte Richtung zu seinem eigenen zeigen – sie zeigen beispielsweise nach Süden statt nach Norden –, dann wird sein eigenes Feld schwächer. Es ist ein bisschen so, wie ein Tauziehen-Team, das an einem Seil in eine Richtung zieht, die Bemühungen seiner Gegner, die in die andere Richtung ziehen, zunichte machen kann.

Mit diesem AGN, so vermutete das JILA-Team, wurde das Magnetfeld des Schwarzen Lochs so schwach, dass es auf den Kopf gestellt wurde.

„Sie löschen das Magnetfeld im Grunde genommen vollständig aus“, sagte Begelman.

In der neuen Studie machten sich Forscher unter der Leitung der NASA daran, so viele Beobachtungen wie möglich von 1ES 1927+654 zu sammeln.

Die Trennung zwischen Ultraviolett- und Röntgenstrahlung erwies sich als der schlagende Beweis. Astrophysiker vermuten, dass ein schwächer werdendes Magnetfeld genau eine solche Veränderung in der Physik eines AGN bewirken würde – eine Verschiebung der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs, sodass es mehr ultraviolettes und sichtbares Licht und paradoxerweise weniger Röntgenstrahlung aussendet. Keine andere Theorie konnte erklären, was die Forscher sahen.

Das AGN selbst beruhigte sich und kehrte bis zum Sommer 2021 zur Normalität zurück. Aber Scepi und Begelman betrachten das Ereignis als ein natürliches Experiment – ​​eine Möglichkeit, die Nähe des Schwarzen Lochs zu untersuchen, um mehr darüber zu erfahren, wie diese Objekte helle Strahlungsstrahlen antreiben. Diese Informationen wiederum können Wissenschaftlern dabei helfen, genau zu wissen, nach welchen Arten von Signalen sie suchen sollten, um noch mehr seltsame AGNs am Nachthimmel zu finden.

„Vielleicht gibt es einige ähnliche Ereignisse, die bereits beobachtet wurden – wir wissen nur noch nichts darüber“, sagte Scepi.