Wie entsteht „MAD“-Akkretion um ein Schwarzes Loch?

Ein internationales Wissenschaftsteam hat erstmals die Magnetfeldtransportprozesse im Akkretionsfluss eines Schwarzen Lochs und die Bildung einer „MAD“ – einer magnetisch angehaltenen Scheibe – in der Nähe eines Schwarzen Lochs aufgedeckt.

Die Forscher machten die Entdeckung, als sie mit Insight-HXMT, Chinas erstem astronomischen Röntgensatelliten, sowie mehreren Teleskopen Multiwellenlängen-Beobachtungsstudien zu einem Ausbruchsereignis des Röntgenbinärsystems MAXI J1820+070 eines Schwarzen Lochs durchführten.

Der Schlüssel zu ihrer Entdeckung war die Beobachtung, dass die Radioemission des Schwarzlochstrahls und die optische Emission aus dem äußeren Bereich des Akkretionsstroms hinter der harten Röntgenstrahlung des heißen Gases im inneren Bereich des Akkretionsstroms (d. h. der heiße Akkretionsstrom) um etwa acht bzw. 17 Tage.

Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht in Wissenschaft am 31. August.

Die Studie wurde von Assoc geleitet. Prof. You Bei von der Wuhan-Universität, Prof. Cao Xinwu von der Zhejiang-Universität und Prof. Yan Zhen vom Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Der Prozess, bei dem ein Schwarzes Loch Gas einfängt, wird als „Akkretion“ bezeichnet, und das in das Schwarze Loch fallende Gas wird als Akkretionsfluss bezeichnet. Die viskosen Prozesse innerhalb der Akkretionsströmung setzen effektiv potenzielle Gravitationsenergie frei, wobei ein Teil der Energie in Strahlung mit mehreren Wellenlängen umgewandelt wird. Diese Strahlung kann von Boden- und Weltraumteleskopen beobachtet werden und ermöglicht es uns, das Schwarze Loch zu „sehen“.

Allerdings gibt es um das Schwarze Loch „unsichtbare“ Magnetfelder. Wenn das Schwarze Loch Gas ansammelt, zieht es auch das Magnetfeld nach innen. Frühere Theorien legten nahe, dass sich das Magnetfeld in Richtung des inneren Bereichs des Akkretionsflusses zunehmend verstärkt, wenn das akkretierende Gas kontinuierlich schwache äußere Magnetfelder einbringt.

Die nach außen gerichtete magnetische Kraft auf den Akkretionsfluss nimmt zu und wirkt der nach innen gerichteten Gravitationskraft des Schwarzen Lochs entgegen. Daher wird die akkretierte Materie im inneren Bereich des Akkretionsflusses in der Nähe des Schwarzen Lochs, wenn das Magnetfeld eine bestimmte Stärke erreicht, vom Magnetfeld eingefangen und kann nicht frei in das Schwarze Loch fallen. Dieses Phänomen wird als magnetisch arretierte Scheibe bezeichnet.

Die MAD-Theorie wurde vor vielen Jahren vorgeschlagen und hat einige Beobachtungsphänomene im Zusammenhang mit der Akkretion von Schwarzen Löchern erfolgreich erklärt. Es gab jedoch keine direkten Beobachtungsnachweise für die Existenz eines MAD, und die MAD-Bildung und die magnetischen Transportmechanismen blieben Rätsel.

Zusätzlich zu den supermassiven Schwarzen Löchern in den Zentren fast jeder Galaxie gibt es im Universum noch viele weitere Schwarze Löcher mit Sternmasse. Astronomen haben in vielen Doppelsternsystemen der Milchstraße Schwarze Löcher mit Sternmasse entdeckt. Diese Schwarzen Löcher haben im Allgemeinen eine etwa zehnfache Masse der Sonne.

Meistens befinden sich diese Schwarzen Löcher in einem Ruhezustand und senden extrem schwache elektromagnetische Strahlung aus. Gelegentlich kommt es jedoch zu einem Ausbruch, der mehrere Monate oder sogar Jahre dauern kann und helle Röntgenstrahlen erzeugt. Daher werden diese Arten von Doppelsternsystemen oft als Röntgendoppelsternsysteme Schwarzer Löcher bezeichnet.

In dieser Studie führten die Forscher eine Multiwellenlängen-Datenanalyse des Ausbruchs des Röntgenbinärs MAXI J1820+070 eines Schwarzen Lochs durch. Sie beobachteten, dass die harte Röntgenemission einen Höhepunkt aufwies, dem acht Tage später ein Höhepunkt der Radioemission folgte. Eine so lange Verzögerung zwischen der Radioemission des Jets und den harten Röntgenstrahlen des heißen Akkretionsstroms ist beispiellos.

Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass das schwache Magnetfeld im äußeren Bereich der Akkretionsscheibe durch das heiße Gas in den inneren Bereich getragen wird und sich die radiale Ausdehnung des heißen Akkretionsstroms mit abnehmender Akkretionsrate schnell ausdehnt. Je größer die radiale Ausdehnung des heißen Akkretionsstroms ist, desto größer ist die Zunahme des Magnetfelds. Dies führt zu einer schnellen Verstärkung des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs, was zur Bildung eines MAD etwa acht Tage nach dem Höhepunkt der harten Röntgenemission führt.

„Unsere Studie enthüllt zum ersten Mal den Prozess des Magnetfeldtransports im Akkretionsfluss und den Prozess der MAD-Bildung in der Nähe des Schwarzen Lochs. Dies stellt den direkten Beobachtungsbeweis für die Existenz einer magnetisch arretierten Scheibe dar“, sagte Assoc . Prof. You Bei, Erstautor und Co-Korrespondent der Studie.

Darüber hinaus beobachtete das Forschungsteam eine beispiellose Verzögerung (etwa 17 Tage) zwischen der optischen Emission aus dem äußeren Bereich des Akkretionsflusses und den harten Röntgenstrahlen des heißen Akkretionsflusses. Durch numerische Simulationen des Ausbruchs des Röntgenbinärsystems des Schwarzen Lochs wurde entdeckt, dass, wenn sich der Ausbruch dem Ende nähert, die Bestrahlung mit harter Röntgenstrahlung dazu führt, dass mehr akkretierendes Material aus der äußersten äußeren Region in Richtung des Schwarzen Lochs fällt Instabilität. Dies führt zu einem optischen Flare im äußeren Bereich des Akkretionsstroms, wobei der Höhepunkt etwa 17 Tage nach dem Höhepunkt der harten Röntgenstrahlung des heißen Akkretionsstroms auftritt.

„Aufgrund der Universalität der Akkretionsphysik von Schwarzen Löchern, bei der Akkretionsprozesse für Schwarze Löcher unterschiedlicher Massenskalen denselben physikalischen Gesetzen folgen, wird diese Forschung das Verständnis wissenschaftlicher Fragen im Zusammenhang mit der Bildung großräumiger Magnetfelder, der Jet-Antriebskraft und der Beschleunigung vorantreiben Mechanismen zur Akkretion Schwarzer Löcher unterschiedlicher Massenskalen“, sagte Prof. Cao Xinwu, Mitautor der Studie.

Ähnliche Phänomene wie die in MAXI J1820+070 beobachteten werden voraussichtlich in naher Zukunft in stärker akkretierenden Schwarzen-Loch-Systemen beobachtet, bemerkte Prof. Yan Zhen, Mitautor der Studie.