Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Physikalischen Fakultät der Universität Oxford hat bewiesen, dass Einstein mit einer wichtigen Vorhersage über Schwarze Löcher Recht hatte. Ihre Studie nutzt Röntgendaten, um Einsteins Gravitationstheorie zu testen. Sie liefert den ersten Beobachtungsbeweis dafür, dass es um Schwarze Löcher eine „Absturzregion“ gibt: einen Bereich, in dem Materie aufhört, das Loch zu umkreisen, und stattdessen direkt hineinfällt. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass diese Region einige der stärksten Gravitationskräfte ausübt, die bisher in der Galaxie identifiziert wurden. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Die neuen Erkenntnisse sind Teil umfassender Untersuchungen der Astrophysiker der Oxford University Physics zu den noch ungeklärten Rätseln rund um Schwarze Löcher. Diese Studie konzentrierte sich auf kleinere Schwarze Löcher in relativer Erdnähe und verwendete Röntgendaten der weltraumgestützten Teleskope Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) und Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) der NASA. Später in diesem Jahr hofft ein zweites Team aus Oxford im Rahmen einer europäischen Initiative der Aufnahme der ersten Videos größerer, weiter entfernter Schwarzer Löcher näher zu kommen.
Anders als Newtons Gravitationstheorie besagt Einsteins Theorie, dass es Teilchen in ausreichender Nähe eines Schwarzen Lochs unmöglich ist, sicher kreisförmigen Bahnen zu folgen. Stattdessen stürzen sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf das Schwarze Loch zu. Die Oxford-Studie untersuchte diese Region zum ersten Mal eingehend und verwendete Röntgendaten, um ein besseres Verständnis der von Schwarzen Löchern erzeugten Kraft zu erlangen.
„Dies ist der erste Einblick in den endgültigen Fall von Plasma, das vom äußeren Rand eines Sterns abgesondert wird, in das Zentrum eines schwarzen Lochs, ein Prozess, der sich in einem etwa zehntausend Lichtjahre entfernten System abspielt“, sagte Dr. Andrew Mummery vom Physikinstitut der Universität Oxford, der die Studie leitete. „Das wirklich Aufregende ist, dass es in der Galaxie viele schwarze Löcher gibt und wir nun über eine leistungsstarke neue Technik verfügen, um sie zur Untersuchung der stärksten bekannten Gravitationsfelder zu nutzen.“
„Einsteins Theorie sagte voraus, dass es diesen letzten Sturz geben würde, aber dies ist das erste Mal, dass wir ihn nachweisen konnten“, fuhr Dr. Mummery fort. „Stellen Sie es sich wie einen Fluss vor, der sich in einen Wasserfall verwandelt – bisher haben wir den Fluss betrachtet. Dies ist unser erster Anblick des Wasserfalls.“
„Wir glauben, dass dies eine spannende neue Entwicklung in der Erforschung von Schwarzen Löchern darstellt, die es uns ermöglicht, diesen letzten Bereich um sie herum zu untersuchen. Nur dann können wir die Gravitationskraft vollständig verstehen“, fügte Mummery hinzu. „Dieser letzte Plasmaeinbruch findet am äußersten Rand eines Schwarzen Lochs statt und zeigt, dass Materie in ihrer stärksten möglichen Form auf die Schwerkraft reagiert.“
Astrophysiker versuchen schon seit einiger Zeit zu verstehen, was in der Nähe der Oberfläche des Schwarzen Lochs passiert, und untersuchen dazu die Materiescheiben, die sie umkreisen. Es gibt einen letzten Bereich der Raumzeit, den sogenannten Eintauchbereich, in dem es unmöglich ist, den endgültigen Abstieg in das Schwarze Loch zu stoppen, und die umgebende Flüssigkeit praktisch dem Untergang geweiht ist.
Seit Jahrzehnten wird unter Astrophysikern darüber diskutiert, ob die sogenannte Absturzregion überhaupt nachweisbar wäre. Das Team aus Oxford hat die letzten Jahre damit verbracht, Modelle dafür zu entwickeln und präsentiert in der gerade veröffentlichten Studie seine erste bestätigte Entdeckung, die mithilfe von Röntgenteleskopen und Daten der Internationalen Raumstation gemacht wurde.
Während sich diese Studie auf kleine schwarze Löcher in der Nähe der Erde konzentriert, ist ein zweites Studienteam der Physikuniversität Oxford Teil einer europäischen Initiative zum Bau eines neuen Teleskops, des Africa Millimeter Telescope, das unsere Fähigkeit, direkte Bilder von schwarzen Löchern zu machen, erheblich verbessern würde. Mehr als 10 Millionen Euro an Fördermitteln wurden bereits gesichert, ein Teil davon wird mehrere erste Doktoranden in Astrophysik an der Universität von Namibia unterstützen, die eng mit dem Team der Physikuniversität Oxford zusammenarbeiten.
Das neue Teleskop soll erstmals die Beobachtung und Filmaufnahme großer Schwarzer Löcher im Zentrum unserer eigenen Galaxie und weit darüber hinaus ermöglichen. Wie bei den kleinen Schwarzen Löchern wird erwartet, dass auch große Schwarze Löcher einen sogenannten „Ereignishorizont“ haben, bei dem Materie aus dem All spiralförmig in Richtung ihres Zentrums gezogen wird, während das Schwarze Loch rotiert. Diese stellen nahezu unvorstellbare Energiequellen dar und das Team hofft, sie erstmals bei ihrer Rotation beobachten und filmen zu können.
Die Studie „Kontinuierliche Emission aus dem Eintauchensbereich von Schwarzlochscheiben“ wurde in den Monthly Notices of the Astronomical Society veröffentlicht.
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Andrew Mummery et al., Kontinuumsemission aus dem Einfallsbereich von Schwarzlochscheiben, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1160