Supercomputer-Simulationen liefern Erklärung für Röntgenstrahlung von Schwarzen Löchern

Forschern der Universität Helsinki ist ein seit den 1970er Jahren verfolgtes Ziel gelungen: die Erklärung der Röntgenstrahlung aus der Umgebung schwarzer Löcher. Die Strahlung entsteht durch die kombinierte Wirkung der chaotischen Bewegungen von Magnetfeldern und turbulentem Plasmagas.

Mithilfe detaillierter Supercomputersimulationen modellierten Forscher der Universität Helsinki die Wechselwirkungen zwischen Strahlung, Plasma und Magnetfeldern um Schwarze Löcher. Dabei stellten sie fest, dass die chaotischen Bewegungen oder Turbulenzen, die durch die Magnetfelder verursacht werden, das lokale Plasma erhitzen und zum Strahlen bringen.

Die Studie war veröffentlicht In NaturkommunikationDie in der Studie verwendete Simulation ist das erste Plasmaphysikmodell, das alle wichtigen Quantenwechselwirkungen zwischen Strahlung und Plasma berücksichtigt.

Röntgenstrahlung von Akkretionsscheiben im Fokus

Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein großer Stern zu einer so dichten Massekonzentration kollabiert, dass seine Schwerkraft sogar Licht daran hindert, seinem Einflussbereich zu entkommen. Deshalb können Schwarze Löcher statt direkter Beobachtung nur durch ihre indirekten Auswirkungen auf die Umgebung beobachtet werden.

Die meisten der beobachteten Schwarzen Löcher haben einen Begleitstern, mit dem sie ein Doppelsternsystem bilden. In einem Doppelsternsystem umkreisen sich zwei Objekte gegenseitig, und die Materie des Begleitsterns bewegt sich langsam spiralförmig in das Schwarze Loch hinein. Dieser langsam fließende Gasstrom bildet oft eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, eine helle, beobachtbare Quelle von Röntgenstrahlen.

Seit den 1970er Jahren gibt es Versuche, die Strahlung der Akkretionsströme um die schwarzen Löcher herum zu modellieren. Schon damals ging man davon aus, dass Röntgenstrahlen durch die Wechselwirkung des lokalen Gases und der Magnetfelder entstehen, ähnlich wie die Umgebung der Sonne durch ihre magnetische Aktivität in Form von Sonneneruptionen aufgeheizt wird.

„Die Eruptionen in den Akkretionsscheiben schwarzer Löcher sind wie extreme Versionen von Sonneneruptionen“, sagt Joonas Nättilä, außerordentlicher Professor und Leiter der Forschungsgruppe „Computational Plasma Astrophysics“ an der Universität Helsinki, die sich auf die Modellierung genau dieser Art extremen Plasmas spezialisiert hat.

Strahlung-Plasma-Wechselwirkung

Die Simulationen zeigten, dass die Turbulenzen um die Schwarzen Löcher so stark sind, dass sogar Quanteneffekte für die Plasmadynamik wichtig werden.

In der modellierten Mischung aus Elektron-Positron-Plasma und Photonen kann sich die lokale Röntgenstrahlung in Elektronen und Positronen verwandeln, die dann bei Kontakt wieder zu Strahlung annihilieren können.

Nättilä beschreibt, dass Elektronen und Positronen, die zueinander Antiteilchen sind, normalerweise nicht am selben Ort vorkommen. Die extrem energiereiche Umgebung von Schwarzen Löchern macht jedoch sogar dies möglich. Strahlung interagiert im Allgemeinen auch nicht mit Plasma. Photonen sind in der Nähe von Schwarzen Löchern jedoch so energiereich, dass ihre Wechselwirkungen auch für Plasma wichtig sind.

„Im Alltag sind solche Quantenphänomene, bei denen anstelle von extrem hellem Licht plötzlich Materie auftritt, natürlich unbekannt, doch in der Nähe von Schwarzen Löchern werden sie von entscheidender Bedeutung“, sagt Nättilä.

„Wir haben Jahre damit verbracht, alle in der Natur vorkommenden Quantenphänomene zu untersuchen und in die Simulationen einzubeziehen, aber letztendlich hat es sich gelohnt“, fügt er hinzu.

Ein genaues Bild vom Ursprung der Strahlung

Die Studie zeigte, dass turbulentes Plasma auf natürliche Weise die Art von Röntgenstrahlung erzeugt, die man von Akkretionsscheiben beobachtet. Die Simulation ermöglichte es außerdem erstmals zu sehen, dass das Plasma um Schwarze Löcher je nach äußerem Strahlungsfeld in zwei unterschiedlichen Gleichgewichtszuständen vorliegen kann. In einem Zustand ist das Plasma transparent und kalt, während es im anderen undurchsichtig und heiß ist.

„Die Röntgenbeobachtungen von Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher zeigen genau die gleiche Art von Variation zwischen den sogenannten weichen und harten Zuständen“, betont Nättilä.