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 National Science nutzt Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der Stiftung.
Astronomen nennen dieses riesige Schwarze Loch Sagittarius A* (kurz Sgr A*), das sich etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Zentrum unserer Galaxie befindet.
Schwarze Löcher haben zwei grundlegende Eigenschaften: ihre Masse (wie viel sie wiegen) und ihren Spin (wie schnell sie rotieren). Die Bestimmung eines dieser beiden Werte sagt den Wissenschaftlern viel über jedes Schwarze Loch und sein Verhalten aus.
Ein Forscherteam wandte eine neue Methode an, die Röntgen- und Radiodaten nutzt, um zu bestimmen, wie schnell sich Sgr A* dreht, basierend darauf, wie das Material zum Schwarzen Loch hin und von diesem weg fließt. Sie fanden heraus, dass sich Sgr A* mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht – der Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde –, die etwa 60 % des maximal möglichen Wertes beträgt, eine Grenze, die dadurch entsteht, dass sich Material nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann.
In der Vergangenheit haben verschiedene Astronomen mehrere andere Schätzungen der Rotationsgeschwindigkeit von Sgr A* mit unterschiedlichen Techniken durchgeführt, wobei die Ergebnisse von Sgr A*, das sich überhaupt nicht dreht, bis hin zu einer Rotation mit fast maximaler Geschwindigkeit reichten.
„Unsere Arbeit könnte dazu beitragen, die Frage zu klären, wie schnell sich das supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie dreht“, sagte Ruth Daly von der Penn State University, die Hauptautorin der neuen Studie. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Sgr A* sehr schnell dreht, was interessant ist und weitreichende Auswirkungen hat.“
Bildnachweis: Chandra X-ray Center
Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht während seiner Rotation die „Raumzeit“ (die Kombination aus Zeit und den drei Dimensionen des Raums) und Materie in der Nähe mit sich. Auch die Raumzeit um das rotierende Schwarze Loch wird komprimiert. Wenn man von oben auf ein Schwarzes Loch herabblickt, hat die Raumzeit entlang des Strahls, den es erzeugt, eine kreisförmige Form. Betrachtet man das rotierende Schwarze Loch jedoch von der Seite, hat die Raumzeit die Form eines Fußballs. Je schneller die Drehung, desto flacher der Fußball.
Der Spin eines Schwarzen Lochs kann als wichtige Energiequelle dienen. Rotierende supermassive Schwarze Löcher können kollimierte Ausflüsse, also schmale Materialstrahlen wie Jets, erzeugen, wenn ihre Spinenergie extrahiert wird, was voraussetzt, dass sich zumindest etwas Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs befindet.
Aufgrund des begrenzten Treibstoffs um Sgr A* war dieses Schwarze Loch in den letzten Jahrtausenden relativ ruhig und hatte relativ schwache Jets. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass sich dies ändern könnte, wenn die Materialmenge in der Nähe von Sgr A* zunimmt.
„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.“
Um den Spin von Sgr A* zu bestimmen, verwendeten die Autoren eine empirisch fundierte theoretische Methode namens „Outflow-Methode“, die den Zusammenhang zwischen dem Spin des Schwarzen Lochs und seiner Masse, den Eigenschaften der Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs, detailliert beschreibt. und die Abflusseigenschaften.
Der kollimierte Ausfluss erzeugt die Radiowellen, während die das Schwarze Loch umgebende Gasscheibe für die Röntgenemission verantwortlich ist. Mit dieser Methode kombinierten die Forscher Daten von Chandra und dem VLA mit einer unabhängigen Schätzung der Masse des Schwarzen Lochs von anderen Teleskopen, um den Spin des Schwarzen Lochs einzuschränken.
„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.“
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Mehr Informationen:
Ruth A. Daly et al., Neue Spinwerte von Schwarzen Löchern für Sagittarius A*, erhalten mit der Outflow-Methode, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad3228