Forscher der Michigan State University haben bahnbrechende Entdeckungen über das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße gemacht. Diese Erkenntnisse, die auf Daten des NuSTAR-Röntgenteleskops der NASA basieren, wurden auf der 244. Treffen der American Astronomical Society (AAS), am 11. Juni.
Schwarze Löcher sind bekanntermaßen schwer zu untersuchen, unter anderem weil nicht einmal Licht ihrer enormen Schwerkraft entkommen kann. Forscher schlussfolgern ihre Eigenschaften normalerweise, indem sie ihren Gravitationseinfluss auf nahe Sterne, Emissionen aus umgebenden Gaswolken und andere derartige Phänomene beobachten.
Grace Sanger-Johnson und Jack Uteg haben unter der Leitung von Shuo Zhang, Assistenzprofessor am Fachbereich Physik und Astronomie, innovative Wege gefunden, um mithilfe jahrzehntelanger Röntgendaten von Weltraumteleskopen mehr Licht in diese kosmischen Rätsel zu bringen.
„Grace und Jacks Beiträge sind eine Quelle enormen Stolzes“, sagte Zhang. „Ihre Arbeit ist ein Beispiel für das Engagement der MSU, bahnbrechende Forschung zu betreiben und die nächste Generation von Astronomen zu fördern. Diese Forschung ist ein Paradebeispiel dafür, wie Wissenschaftler der MSU die Geheimnisse des Universums entschlüsseln und uns dem Verständnis der Natur schwarzer Löcher und der dynamischen Umgebung im Herzen unserer Galaxie näher bringen.“
Galaktisches Feuerwerk
Sanger-Johnson, eine promovierte Forscherin, analysierte 10 Jahre alte Daten auf der Suche nach Röntgenstrahlenausbrüchen von Sagittarius A* oder Sgr A*, dem zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße. Dabei entdeckte sie neun Ausbrüche, die unbemerkt geblieben waren.
Diese Flares sind spektakuläre Ausbrüche hochenergetischen Lichts, die eine einzigartige Gelegenheit bieten, die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs zu untersuchen, eine Region, die aufgrund ihrer unglaublichen Schwerkraft normalerweise unsichtbar ist. Sgr A* ist das der Erde am nächsten gelegene und am wenigsten aktive supermassive Schwarze Loch, und daher sind Daten von Sgr A* und seinen Flares eine der wenigen derzeit bekannten Möglichkeiten, die physikalische Umgebung eines Schwarzen Lochs zu untersuchen.
„Wir sitzen in der ersten Reihe und beobachten dieses einzigartige kosmische Feuerwerk im Zentrum unserer eigenen Milchstraße“, sagte Zhang, Sanger-Johnsons Berater.
„Sowohl Flares als auch Feuerwerke erhellen die Dunkelheit und helfen uns, Dinge zu beobachten, die uns normalerweise nicht möglich wären. Deshalb müssen Astronomen wissen, wann und wo diese Flares auftreten, damit sie die Umgebung des Schwarzen Lochs mithilfe dieses Lichts untersuchen können.“
Sanger-Johnson sichtete akribisch Röntgendaten, die ein Jahrzehnt lang zwischen 2015 und 2024 von NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), einem der weltraumgestützten Röntgenteleskope der NASA, gesammelt wurden. Jeder der neun neu entdeckten Ausbrüche liefert wertvolle Daten zum Verständnis der Umgebung und Aktivitäten des Schwarzen Lochs, sagte das Team.
„Wir hoffen, dass wir und andere Astronomen durch den Aufbau dieser Datenbank zu Sgr A*-Eruptionen die Eigenschaften dieser Röntgeneruptionen analysieren und Rückschlüsse auf die physikalischen Bedingungen in der extremen Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs ziehen können“, sagte Sanger-Johnson.
„Echos“ eines schwarzen Lochs
Während sich Sanger-Johnson auf die hellen Strahlungsausbrüche von Sgr A* konzentrierte, untersuchte Uteg, ein Student am MSU Honors College, die Aktivität des Schwarzen Lochs mithilfe einer Technik, die dem Abhören von Echos ähnelt. Uteg analysierte fast 20 Jahre lang Daten über eine riesige Molekülwolke namens „die Brücke“ in der Nähe von Sgr A*.
„Im Gegensatz zu Sternen erzeugen diese Wolken aus Gas und Staub im interstellaren Raum keine eigenen Röntgenstrahlen“, sagte Uteg. Als Röntgenteleskope begannen, Photonen von der Brücke zu erfassen, begannen Astronomen, Hypothesen über die Quelle aufzustellen.
„Die Helligkeit, die wir sehen, ist höchstwahrscheinlich die verzögerte Reflexion früherer Röntgenausbrüche von Sgr A*“, sagte Uteg. „Wir beobachteten erstmals um 2008 eine Zunahme der Leuchtkraft. Dann nahmen die Röntgensignale von der Brücke in den folgenden 12 Jahren weiter zu, bis sie 2020 ihre maximale Helligkeit erreichte.“
Dieses „Echo“-Licht des Schwarzen Lochs war Hunderte von Jahren von Sgr A* zur Molekülwolke unterwegs und benötigte dann weitere rund 26.000 Jahre, bevor es die Erde erreichte.
Durch die Analyse dieses Röntgenechos hat Uteg begonnen, eine Zeitleiste der vergangenen Aktivitäten unseres Schwarzen Lochs zu rekonstruieren. Dies bietet Einblicke, die allein durch direkte Beobachtung nicht möglich wären. Für seine Analyse verwendete Uteg Daten von NuSTAR sowie vom X-ray Multi-Mirror (XMM) des Newton-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation.
„Einer der Hauptgründe, warum es uns wichtig ist, dass diese Wolke heller wird, besteht darin, dass wir dadurch einschätzen können, wie hell der Ausbruch von Sgr A* in der Vergangenheit war“, sagte Uteg.
Im Rahmen dieser Berechnungen haben Uteg und das Team der MSU ermittelt, dass Sgr A* im Röntgenbereich vor etwa 200 Jahren etwa fünf Größenordnungen heller war, als wir es heute sehen.
„Dies ist das erste Mal, dass wir eine 24 Jahre andauernde Variabilität für eine Molekülwolke um unser supermassives Schwarzes Loch konstruiert haben, das seine höchste Röntgenleuchtkraft erreicht hat“, sagte Zhang. „Dadurch können wir die vergangene Aktivität von Sgr A* vor etwa 200 Jahren bestimmen. Unser Forschungsteam an der MSU wird dieses ‚Astroarchäologie-Spiel‘ fortsetzen, um die Geheimnisse des Zentrums der Milchstraße weiter zu entschlüsseln.“
Die genauen Mechanismen, die Röntgeneruptionen auslösen, und der genaue Lebenszyklus von Schwarzen Löchern sind noch immer ein Rätsel. Die Forscher der MSU sind jedoch zuversichtlich, dass ihre Erkenntnisse weitere Untersuchungen anstoßen und möglicherweise unser Verständnis dieser rätselhaften Objekte revolutionieren werden.