Das Bild eines Schwarzen Lochs wirft Licht auf die Geheimnisse der Milchstraße

Das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs unserer Galaxie, das Anfang dieses Monats veröffentlicht wurde, beginnt, einige anhaltende Geheimnisse über den Kern der Milchstraße zu erklären.

Die Fülle neuer Informationen über das Schwarze Loch namens Sagittarius A* gesellt sich zu vielen anderen Beweislinien, die nun ein detailliertes Bild des galaktischen Zentrums zeichnen. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Sagittarius A* Materie langsam absorbiert, was sie im Vergleich zu den zentralen Schwarzen Löchern anderer Galaxien ungewöhnlich blass macht. Die Beobachtungen deuten auch darauf hin, dass Sagittarius A* erst vor wenigen Millionen Jahren erstaunlich aktiv gewesen wäre. In der Zwischenzeit werfen die neuesten Daten neue Fragen zu einigen der größten Strukturen auf, die in und um die Milchstraße herum zu sehen sind.

Das Bild, das am 12. Mai von der Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration veröffentlicht wurde, war der Höhepunkt einer Reihe von zehn Forschungsarbeiten in einer Sonderausgabe von Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe1. Aber die Basisdaten, die 2017 gesammelt wurden, enthalten mehr Informationen, nach denen Wissenschaftler noch suchen, sagt EHT-Mitglied Sera Markov, eine theoretische Astrophysikerin an der Universität Amsterdam. “Es ist wie im Himmel”, sagt sie für Astrophysiker.

Das Bild zeigt einen leuchtenden Ring aus Radioemissionen, der einen dunklen Schatten umgibt. Dieser Schatten liegt hinter dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs – der immateriellen Sphäre, die den Punkt markiert, an dem es für alles, was sie durchquert, kein Zurück mehr gibt. Eine detaillierte Analyse der EHT-Daten hat nun viele Aspekte der theoretischen und Computermodelle bestätigt, die beschreiben, wie der leuchtende Ring hergestellt wird.

Wenn sich Materie in einem Schwarzen Loch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit dreht, bildet sie eine „Akkumulationsscheibe“, die Strahlung über das elektromagnetische Spektrum sendet, einschließlich Radiowellen, die EHT-Teleskope erkennen können. Ihre Daten zeigen, dass die Akkretionsscheibe eher wie ein aufgeblähter Kuchen als wie ein flacher Pfannkuchen aussieht. Diese dicker werdende Form bedeutet, dass die Scheibe das Schwarze Loch in gemächlichem Tempo mit Materiefetzen füttert, was es im Vergleich zu anderen, gierigeren Schwarzen Löchern relativ schwach macht.


Die EHT-Kollaboration veröffentlichte Anfang dieses Monats dieses Bild des Schwarzen Lochs Sagittarius A*.Bildnachweis: EHT-Zusammenarbeit

Obwohl die Form der Akkretionsscheibe den Erwartungen entsprach, waren viele Astrophysiker überrascht, dass die EHT-Daten die Scheibe als „offene Fläche“ zeigten. Das bedeutet, dass seine Rotationsachse in einem Winkel von weniger als 50 Grad zu unserer Sichtlinie von der Erde liegt.

Einige Wissenschaftler erwarteten, dass sich die Rotationsachse der Scheibe stattdessen vertikal drehen und den “Rand” der Akkretionsscheibe aus der Sicht der Erde zeigen würde. Dieser Trend wird aus dem Zusammenspiel von drei separaten Zyklen entstehen: der üppigen Rotation der Spiralarme der Galaxie, der einfallenden Materie, die die Akkretionsscheibe speist, und dem sich schnell drehenden Schwarzen Loch selbst.

Sagittarius A* ist wahrscheinlich aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden, als zwei Galaxien zusammenkamen, um die Milchstraße zu bilden. Zunächst hätte die Rotation des neuen Schwarzen Lochs in jede Richtung zeigen können. Aber als es wuchs, indem es sich von Staub und Gas ernährte, könnte der Schwung der fallenden Materie die Rotation des Schwarzen Lochs langsam an die Rotation der Galaxie angepasst haben, sagt Priya Natarajan, Astrophysikerin an der Yale University in New Haven, Connecticut. Da es in der Milchstraße seit mindestens einer Milliarde Jahren keine Verschmelzung gegeben hat, sollten sich die drei Zyklen inzwischen aneinander gereiht haben.

Die vorläufigen Ergebnisse des EHT schlossen jedoch mit ziemlicher Sicherheit die Existenz einer vertikalen Drehachse für die Akkretionsscheibe und möglicherweise auch für das Schwarze Loch selbst aus. Dies stimmt mit Beobachtungen überein, die 2018 vom Very Large Telescope (VLT), einer Einrichtung auf dem Berg Cerro Paranal in Chile, gemacht wurden und Materialfackeln in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs im Uhrzeigersinn wirbeln sahen, wo das EHT gerade eine Glocke sah. „Man kann diese beiden Bilder tatsächlich überlagern“, sagt Stefan Gelsen, Radioastronom am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland.

Gilsen und seine Mitarbeiter führten die Studie mit dem GRAVITY-Instrument durch, das Infrarotlicht von den vier 8 Meter breiten VLT-Schalen sammelt, um eine Auflösung zu erreichen, die mit der eines einzelnen 130 Meter breiten Teleskops vergleichbar ist. GRAVITY fand wie das EHT heraus, dass die Akkretionsscheibe eine Flächenausrichtung hat, wobei ihre Rotationsachse in einem Winkel von 20-30 Grad von unserer Sichtlinie liegt.

Diese direkte Orientierung steht auch im Einklang mit jahrzehntelangen Beobachtungen über die Struktur der Zentralregion der Milchstraße, sagt Jason Dexter, theoretischer Astrophysiker an der University of Colorado Boulder und Mitglied der GRAVITY- und EHT-Kollaborationen. Die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs wird durch fließendes Material von Sternen gebildet, die Sagittarius A* in einer etwa 0,3 Parsec (1 Lichtjahr) breiten Scheibe umkreisen, sagt er. Daher sollte die Ausrichtung der Akkretionsscheibe eher der Sternscheibe als der viel größeren Struktur der Galaxie entsprechen, sagt Dexter. “Da gibt es kein Problem – und das hätten wir wahrscheinlich erwarten sollen.”

Die EHT-Daten von 2017 können die von GRAVITY beobachtete Drehung der Akkretionsscheibe im Uhrzeigersinn nicht bestätigen, sagt Charles Jami, ein Mitglied der EHT-Kollaboration an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Aber das Team hat mehr Daten gesammelt und könnte diese Frage bald beantworten. „Die neuen Beobachtungen aus dem Jahr 2022 enthalten möglicherweise genügend Informationen, insbesondere wenn wir einen Film drehen und sehen können, wie sich die Strukturen drehen“, sagt Jamie.

Spiralströme

Aus dem galaktischen Zentrum herauszoomend, zeichneten Astronomen zuvor viele größere Strukturen mit einem Durchmesser von sogar ein paar Parsec. Dazu gehört eine „kleine Spirale“ aus Gasströmen, die an die Spiralarme der Milchstraße erinnert, aber 10.000 Mal kleiner ist. Im Moment scheint nicht viel Materie von der Helix nach innen zu tropfen, aber in der Vergangenheit hätte sie das Schwarze Loch in Zeiten intensiverer Aktivität gefüttert.

Interessanterweise ist diese Spirale weder mit der Sternscheibe um Sagittarius A* noch mit ihrer Akkretionsscheibe oder mit der Galaxie selbst ausgerichtet. „Es ist nicht notwendig, dass das Zentrum der Galaxie mit der Ebene der Galaxie übereinstimmt“, sagt Markov. „Man erwartet nicht unbedingt, dass Dinge, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs passieren, etwas über die galaktische Ebene wissen.“

Modelle wie Natarajan, die eine allmähliche Ausrichtung der Rotation des Schwarzen Lochs vorhersagen, gelten möglicherweise nur für Galaxien, die über einen langen Zeitraum einen stetigen Strom von Materie in das Schwarze Loch liefern, sagt Andrew King, ein Astrophysiker an der Universität von Leicester, Großbritannien. . Dies scheint weder für die Milchstraße noch für viele andere Galaxien der Fall zu sein, die scheinbar schiefe zentrale Schwarze Löcher haben. „Der Grund muss sein, dass das Gas, das das Schwarze Loch speist, nicht geordnet orientiert ist, sondern in diskreten Ringen vorliegt, deren Richtungen völlig zufällig im Vergleich zur Rotationsachse des Schwarzen Lochs angeordnet sind“, sagt King.

Diese Art der chaotischen Fütterung kann dazu führen, dass sich das Schwarze Loch ziemlich langsam dreht, sodass es genügend Materie ansammeln kann, um schnell zu wachsen. Dies könnte helfen zu erklären, warum einige Schwarze Löcher so massiv und schnell gewachsen sind: Einige hatten bereits die milliardenfache Masse der Sonne, als das Universum nur ein Zehntel seines heutigen Alters betrug.

Blasen blasen

Obwohl all diese Beweise mit der Richtung von Sagittarius A* übereinzustimmen scheinen, gibt es immer noch große Fragen über die mögliche Verbindung zwischen dem Schwarzen Loch und anderen massiven Merkmalen, die um das galaktische Zentrum herum zu sehen sind.

Im Jahr 2010 verwendeten Astronomen das Fermi Gamma Ray Space Telescope der NASA, um zwei massive Gaskeulen zu kartieren, die sich direkt über und unter der zentralen Region der Galaxie erstrecken und 7.700 Parsec lang sind. Diese Lappen leuchten in Röntgenstrahlen und wurden als Fermi-Blasen bekannt. Und im Jahr 2020 entdeckte das Röntgenteleskop eROSITA an Bord der deutsch-russischen Sonde größere Blasen in derselben Region des Weltraums.

Zusammengesetztes Bild von Fermi-eROSITA, das die Morphologie von Gammastrahlen- und Röntgenblasen vergleicht.

Zusammengesetztes Bild mit Fermi-Blasen (rot) und von Erosita entdeckten Blasen (blau).Bildnachweis: P. Predehl et al / Natur

Beobachtungen deuten darauf hin, dass diese Blasen das Nachglühen von Schockwellen sind, die das galaktische Zentrum in den letzten 20 Millionen Jahren oder so verlassen haben. Eine plausible Quelle dieser Schockwelle könnte eine Explosion der Sternentstehungsaktivität sein, die zu einer großen Anzahl von Sternexplosionen führt, die als Supernovae bezeichnet werden. Aber der andere Hauptverdächtige ist eine intensive Fütterungsperiode von arc a*.

Die Forscher fanden auch leuchtende Gasschwaden, die sich mehr als 150 Parsec vom galaktischen Zentrum entfernt erstreckten, was darauf hindeuten könnte, dass Sagittarius A* Fermi-Blasen erzeugt hat. Sagt der Astrophysiker Gabriel Ponte, Gleeson Fellow am Max-Planck-Institut in Peel.

Aber die Blasen scheinen senkrecht zur Achse der Milchstraße ausgerichtet zu sein, daher ist unklar, wie sie von einem Schwarzen Loch stammen könnten, das in eine andere Richtung geneigt ist. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Blasen das Endergebnis vieler separater intensiver Fütterungsperioden sind, von denen jede das Material in eine andere Richtung speit. “Was das EHT zeigte, war eine Momentaufnahme. Fermi-Blasen zeigen Aktivität über sehr lange Zeiträume”, sagt Simona Morgia, Astronomin an der University of California, Irvine, die an der Fermi-Mission arbeitet.

Laut Ponti könnte ein Röntgen-Weltraumteleskop namens Athena, das Mitte der 2030er Jahre von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet werden soll, zur Lösung des Problems beitragen, indem es die Gasbewegung in Fermi-Blasen abbildet.

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