Ein internationales Wissenschaftlerteam hat erstmals die Spinrate eines supermassiven Schwarzen Lochs definitiv gemessen.
Die Ergebnisse der beiden Röntgenobservatorien, des Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA und des XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation, lösen eine langjährige Debatte über ähnliche Messungen in anderen Schwarzen Löchern und werden zu einem besseren Verständnis führen wie sich Schwarze Löcher und Galaxien entwickeln.
"Wir können Materie verfolgen, während sie mit Röntgenstrahlen, die aus Regionen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs emittiert werden, in ein Schwarzes Loch verwirbelt wird", sagte Fiona Harrison, NuSTAR-Forschungsleiterin am California Institute of Technology, Pasadena, und Mitautorin einer neuen Studie in der Ausgabe von Nature vom 28. Februar. "Die Strahlung, die wir sehen, wird durch die Bewegungen der Partikel und durch die unglaublich starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt und verzerrt."
Das Konzept dieses Künstlers zeigt ein supermassives Schwarzes Loch mit der millionen- bis milliardenfachen Masse unserer Sonne. Supermassive Schwarze Löcher sind enorm dichte Objekte, die im Herzen von Galaxien vergraben sind. In dieser Abbildung ist das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte von Materie umgeben, die auf das Schwarze Loch in einer sogenannten Akkretionsscheibe fließt. Diese Scheibe bildet sich, wenn Staub und Gas in der Galaxie auf das Loch fallen und von der Schwerkraft angezogen werden. Gezeigt wird auch ein ausströmender Strahl energetischer Partikel, der vermutlich vom Spin des Schwarzen Lochs angetrieben wird. Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA / JPL-Caltech.
Es wird angenommen, dass die Bildung von supermassiven Schwarzen Löchern die Bildung der Galaxie selbst widerspiegelt, da ein Teil der in die Galaxie gezogenen Materie in das Schwarze Loch gelangt. Aus diesem Grund sind Astronomen daran interessiert, die Spinraten von Schwarzen Löchern in den Herzen von Galaxien zu messen.
Die Beobachtungen sind auch ein starker Test für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die besagt, dass die Schwerkraft Licht und Raum-Zeit verbiegen kann. Die Röntgenteleskope haben diese Verwerfungen in extremsten Umgebungen festgestellt, in denen das immense Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs die Raum-Zeit-Beziehung stark verändert.
NuSTAR, eine Mission der NASA-Explorer-Klasse, die im Juni 2012 gestartet wurde, wurde speziell entwickelt, um Röntgenlicht mit höchster Energie bis ins kleinste Detail zu erfassen. Für Livermore war der Vorgänger von NuSTAR ein ballongestütztes Instrument mit der Bezeichnung HEFT (High Energy Focusing Telescope), das ab 2001 teilweise durch eine Investition in laborgesteuerte Forschung und Entwicklung finanziert wurde. NuSTAR nutzt die Röntgenfokussierungsfähigkeiten von HEFT und s sie jenseits der Erdatmosphäre auf einem Satelliten. Das Design der Optik und der Herstellungsprozess für NuSTAR basieren auf denen, die für den Bau der HEFT-Teleskope verwendet wurden.
NuSTAR ergänzt Teleskope, die Röntgenlicht mit niedrigerer Energie beobachten, wie das XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA. Wissenschaftler verwenden diese und andere Teleskope, um die Drehzahlen von Schwarzen Löchern abzuschätzen.
"Wir wissen, dass Schwarze Löcher eine starke Verbindung zu ihrer Wirtsgalaxie haben", sagte der Astrophysiker Bill Craig, ein Mitglied des LLNL-Teams. "Die Messung des Spin, eines der wenigen Dinge, die wir direkt an einem Schwarzen Loch messen können, gibt uns Hinweise auf das Verständnis dieser grundlegenden Beziehung."
Mit NuSTAR beobachtete das Team Röntgenstrahlen, die von heißem Gas in einer Scheibe knapp außerhalb des „Ereignishorizonts“ emittiert werden, der Grenze, die ein Schwarzes Loch umgibt, hinter dem nichts, einschließlich Licht, entweichen kann.
Wissenschaftler messen die Spinraten supermassiver Schwarzer Löcher, indem sie das Röntgenlicht in verschiedene Farben streuen. Das Licht kommt von Akkretionsscheiben, die um schwarze Löcher wirbeln, wie in beiden Konzepten des Künstlers gezeigt. Sie verwenden Röntgenraumteleskope, um diese Farben zu untersuchen, und suchen insbesondere nach einem „Finger“ aus Eisen - dem in beiden Diagrammen oder Spektren gezeigten Peak -, um zu sehen, wie scharf er ist. Das oben gezeigte „Rotations“ -Modell zeigte, dass sich das Eisenmerkmal durch Verzerrungseffekte ausbreitet, die durch die immense Schwerkraft des Schwarzen Lochs verursacht werden. Wenn dieses Modell korrekt ist, sollte das Ausmaß der Verzerrung im Eisenmerkmal die Spinrate des Schwarzen Lochs anzeigen. Das alternative Modell ging davon aus, dass dunkle Wolken, die in der Nähe des Schwarzen Lochs lagen, die Eisenlinie künstlich verzerrt erscheinen ließen. Wenn dieses Modell korrekt wäre, könnten die Daten nicht zur Messung des Spin des Schwarzen Lochs verwendet werden. NuSTAR half bei der Lösung des Falls und schloss das alternative Modell der „undurchsichtigen Wolke“ aus. Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA / JPL-Caltech.
Frühere Messungen waren unsicher, da das Verschleiern von Wolken um die Schwarzen Löcher theoretisch die Ergebnisse hätte verwechseln können. Durch die Zusammenarbeit mit XMM-Newton konnte NuSTAR ein breiteres Spektrum an Röntgenenergie erkennen, die tiefer in die Region um das Schwarze Loch eindrang. Die neuen Beobachtungen schlossen die Idee der Wolkenverdeckung aus und zeigten, dass die Spinraten supermassiver Schwarzer Löcher schlüssig bestimmt werden können.
"Dies ist für das Gebiet der Schwarzlochforschung von enormer Bedeutung", sagte Lou Kaluzienski, NuSTAR-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptsitz in Washington, DC. "NASA- und ESA-Teleskope haben dieses Problem gemeinsam angegangen. Zusammen mit den Röntgenbeobachtungen mit niedrigerer Energie, die mit XMM-Newton durchgeführt wurden, stellten NuSTARs beispiellose Möglichkeiten zur Messung der Röntgenstrahlen mit höherer Energie ein wesentliches, fehlendes Puzzleteil dar, um dieses Problem zu lösen. “
NuSTAR und XMM-Newton beobachteten gleichzeitig das supermassereiche Schwarze Loch mit zwei Millionen Sonnenmassen, das im staub- und gasgefüllten Herzen einer Galaxie namens NGC 1365 liegt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich das Schwarze Loch in der Nähe der maximal zulässigen Geschwindigkeit dreht Einsteins Gravitationstheorie.
„Diese Monster, deren Masse millionen- bis milliardenfach so groß ist wie die der Sonne, werden im frühen Universum als kleine Samen geformt und wachsen dann, indem sie Sterne und Gas in ihren Wirtsgalaxien verschlucken und / oder sich bei Galaxien mit anderen riesigen Schwarzen Löchern verbinden kollidieren “, sagte Guido Risaliti, Hauptautor der neuen Studie des Harvard-Smithsonian-Zentrums für Astrophysik in Cambridge, Massachusetts, und des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik. "Die Messung des Spin eines supermassiven Schwarzen Lochs ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis seiner Vorgeschichte und der seiner Wirtsgalaxie."
Via Lawrence Livermore National Laboratory