Der Schein kann trügen. Das Licht einer Glühbirne scheint konstant zu sein, flackert jedoch 120 Mal pro Sekunde. Da das Gehirn nur einen Durchschnitt der erhaltenen Informationen wahrnimmt, ist dieses Flackern unscharf und die Wahrnehmung einer konstanten Beleuchtung eine reine Illusion.
Während Licht einem Schwarzen Loch nicht entkommen kann, hat das helle Leuchten von schnell umkreisendem Gas sein eigenes, einzigartiges Flackern. In einem kürzlich erschienenen Artikel, veröffentlicht in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe, Lena Murchikova, William D. Loughlin Mitglied am Institute for Advanced Study; Chris White von der Princeton University; und Sean Ressler von der University of California in Santa Barbara konnten dieses subtile Flackern nutzen, um das bisher genaueste Modell des zentralen Schwarzen Lochs unserer eigenen Galaxie – Sagittarius A* (Sgr A*) – zu konstruieren, das Einblicke in Eigenschaften wie seine Struktur und seine Eigenschaften liefert Bewegung.
Zum ersten Mal haben Forscher in einem einzigen Modell die ganze Geschichte gezeigt, wie sich Gas im Zentrum der Milchstraße bewegt – vom Abblasen durch Sterne bis zum Fallen in das Schwarze Loch. Durch Lesen zwischen den sprichwörtlichen Zeilen (oder flackerndem Licht) kam das Team zu dem Schluss, dass das wahrscheinlichste Bild der Nahrungsaufnahme eines Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum das direkte Einfallen von Gas aus großen Entfernungen beinhaltet und nicht ein langsames Abziehen von umlaufendem Material über einen langen Zeitraum von Zeit.
Simulation von glühendem Gas um ein Schwarzes Loch. Bildnachweis: Chris White, Princeton University
„Schwarze Löcher sind die Torwächter ihrer eigenen Geheimnisse“, sagte Murchikova. „Um diese mysteriösen Objekte besser zu verstehen, sind wir auf direkte Beobachtung und hochauflösende Modellierung angewiesen.“
Obwohl die Existenz von Schwarzen Löchern vor etwa 100 Jahren von Karl Schwarzschild auf der Grundlage von Albert Einsteins neuer Gravitationstheorie vorhergesagt wurde, beginnen Forscher erst jetzt, sie durch Beobachtungen zu untersuchen.
Im Oktober 2021 veröffentlichte Murchikova einen Artikel in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe, Einführung einer Methode zur Untersuchung des Flackerns von Schwarzen Löchern auf der Zeitskala von wenigen Sekunden anstelle von wenigen Minuten. Dieser Fortschritt ermöglichte eine genauere Quantifizierung der Eigenschaften von Sgr A* basierend auf seinem Flackern.
White hat an den Details gearbeitet, was mit dem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern passiert (wo die starken Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig sind) und wie sich dies auf das Licht auswirkt, das zu uns kommt. Ein Astrophysikalische Zeitschrift Veröffentlichung Anfang dieses Jahres fasst einige seiner Ergebnisse zusammen.
Ressler hat jahrelang versucht, die bisher realistischsten Simulationen des Gases um Sgr A* zu erstellen. Er hat dies getan, indem er Beobachtungen naher Sterne direkt in die Simulationen integriert und das Material, das sie beim Einsturz in das Schwarze Loch abwerfen, akribisch verfolgt. Seine jüngste Arbeit gipfelte in einer Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe Papier im Jahr 2020.
Murchikova, White und Ressler taten sich dann zusammen, um das beobachtete Flackermuster von Sgr A* mit denen zu vergleichen, die von ihren jeweiligen numerischen Modellen vorhergesagt wurden.
„Das Ergebnis war sehr interessant“, erklärte Murchikova. „Lange Zeit dachten wir, dass wir weitgehend außer Acht lassen könnten, woher das Gas um das Schwarze Loch kommt. Typische Modelle stellen sich einen künstlichen Gasring vor, der ungefähr die Form eines Donuts hat, und zwar in einiger Entfernung vom Schwarzen Loch. Wir haben festgestellt, dass solche Modelle erzeugen flackernde Muster, die nicht mit Beobachtungen übereinstimmen.“
Resslers Sternwindmodell verfolgt einen realistischeren Ansatz, bei dem das von Schwarzen Löchern verbrauchte Gas ursprünglich von Sternen in der Nähe des galaktischen Zentrums abgegeben wird. Wenn dieses Gas in das Schwarze Loch fällt, reproduziert es das richtige Flackermuster. „Das Modell wurde nicht mit der Absicht gebaut, dieses spezielle Phänomen zu erklären. Der Erfolg war keineswegs eine Garantie“, kommentierte Ressler. „Deshalb war es sehr ermutigend zu sehen, dass das Modell nach Jahren der Arbeit so dramatisch erfolgreich war.“
„Wenn wir das Flackern untersuchen, können wir Änderungen in der Lichtmenge sehen, die das Schwarze Loch Sekunde für Sekunde aussendet, und Tausende von Messungen im Laufe einer einzigen Nacht durchführen“, erklärte White. „Dies sagt uns jedoch nicht, wie das Gas im Weltraum angeordnet ist, wie es ein großformatiges Bild tun würde. Durch die Kombination dieser beiden Arten von Beobachtungen ist es möglich, die Einschränkungen beider zu mildern und so das authentischste Bild zu erhalten.“
Lena Murchikova et al, Remarkable Correspondence of the Sagittarius A* Submillimeter Variability with a Stellar-wind-fed Accretion Flow Model, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac75c3
Lena Murchikova et al., Second-scale Submillimeter Variability of Sagittarius A* during Flaring Activity of 2019: On the Origin of Bright Near-infrared Flares, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac2308
Christopher J. White et al, The Effects of Tilt on the Time Variability of Millimeter and Infrared Emission from Sagittarius A*, Das Astrophysikalische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac423c
Sean M. Ressler et al., Ab-Initio-Simulationen im Horizontmaßstab von magnetisch arrestierter Akkretion in Sagittarius A*, gespeist von Sternwinden, Das Astrophysikalische Journal (2020). DOI: 10.3847/2041-8213/ab9532