Schlagwort: Akkretionsscheibe

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Aufwirbeln eines sehr massereichen Schwarzen Lochs

Eine Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch wirbelt schräg im Bild. Nach links oben steigt ein wirbelnder blauer, transparenter Strahl auf. Mitten in der Akkretionsscheibe ist eine schwarze Kugel.

Illustrationscredit: Robert Hurt, NASA/JPL-Caltech

Wie schnell kann ein Schwarzes Loch rotieren? Wenn ein Objekt aus normaler Materie zu schnell rotiert, zerbricht es. Doch ein Schwarzes Loch kann vielleicht gar nicht brechen. Und seine maximale Rotationsgeschwindigkeit ist tatsächlich unbekannt. Für gewöhnlich werden schnell rotierende Schwarze Löcher mit der Kerr-Lösung zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie modelliert. Das führt zu mehreren erstaunlichen, ungewöhnlichen Vorhersagen.

Eine Prognose sollte man relativ einfach überprüfen können: Man beobachtet dazu aus großer Entfernung, wie Materie in ein Schwarzes Loch fällt, das mit maximaler Geschwindigkeit rotiert. Die Materie sollte man zuletzt sehen, wenn sie fast mit Lichtgeschwindigkeit um das Schwarze Loch kreist.

Diese Vorhersage wurde mit den Satelliten NuSTAR der NASA und XMM der ESA geprüft. Sie beobachteten das sehr massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365. Die Grenze nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bestätigt. Dazu wurden die Aufheizung und die Spektrallinien-Verbreiterung von Kernemissionen am inneren Rand der Akkretionsscheibe gemessen.

Die künstlerische Illustration zeigt eine Akkretionsscheibe aus normaler Materie. Sie wirbelt um ein Schwarzes Loch. Oben strömt ein Strahl aus. Materie, die zufällig in ein Schwarzes Loch fällt, sollte dieses nicht so stark beschleunigen. Daher bestätigen die Messungen von NuSTAR und XMM auch die Existenz der umgebenden Akkretionsscheibe.

Bei der NASA ist Woche der Schwarzen Löcher!

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Webb zeigt protostellare Ausflüsse in Serpens

In einem dunkelbraunen Nebel leuchten hellgelbe Gebiete, die von rötlichem Licht umgeben sind. Man erkennt Akkretionsscheiben um junge Sterne und Materieströme, die senkrecht aus den Akkretionsscheiben schießen.

Bildcredit: NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (NASA-JPL), Joel Green (STScI)

Im Serpensnebel strömen Materiestrahlen aus jungen Protosternen. Die Nahaufnahme stammt vom Weltraumteleskop James Webb. Die mächtigen Ausflüsse sind bipolar. Das bedeutet, dass zwei Strahlen in entgegengesetzte Richtungen strömen. Sie stoßen senkrecht aus den Akkretionsscheiben, die um kollabierende junge Sterne rotieren.

Das Bild der NIRcam zeigt die Strahlung von molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid in rötlichen Farbtönen. Die Strahlung entsteht, wenn die Strahlströme auf Gas und Staub in der Umgebung treffen. Das scharfe Bild zeigt erstmals, dass die einzelnen Ausflüsse im Serpensnebel allgemein in dieselbe Richtung zeigen. Dieses Ergebnis hatte man erwartet. Doch erst jetzt trat es auf Webbs detailreicher Abbildung der aktiven jungen Sternbildungsregion klar zutage.

Die helleren Sterne vorne zeigen Webbs typische Beugungsspitzen. Der Serpensnebel ist schätzungsweise 1300 Lichtjahre entfernt. Die kosmische Nahaufnahme ist etwa ein Lichtjahr breit.

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Animation: Schwarzes Loch vernichtet Stern

Video-Illustrationscredit: DESY, Labor für Wissenschaftskommunikation

Was passiert, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt? Das Schwarze Loch kann ihn zerreißen – aber wie? Nicht seine starke Anziehungskraft ist das Problem, sondern der Unterschied der Gravitationswirkung an verschiedenen Seiten des Sterns.

Das hier gezeigte animierte Video illustiert diese Zerreißprobe: Zuerst sieht man einen Stern, der sich einem Schwarzen Loch nähert. Während seine Umlaufgeschwindigkeit ansteigt, wird die äußere Atmosphäre des Sterns bei der größten Annäherung abgerissen.

Ein großer Anteil der Sternatmosphäre entweicht in die Tiefen des Alls, aber ein anderer Anteil kreist weiterhin um das Schwarze Loch und bildet eine Akkretionsscheibe.

Dorthin führt uns die Animation im Folgenden. Während wir uns zum Schwarzen Loch umsehen, nähern wir uns der Akkretionsscheibe. Aufgrund der seltsamen visuellen Effekten von Gravitationslinsen kann man sogar die Rückseite der Akkretionsscheibe sehen. Schließlich schauen wir entlang der Jets, die entlang der Rotationsachse ausgestoßen werden. Modellrechnungen der theoretischen Astrophysik zeigen, dass diese Jets nicht nur hochenergetisches Gas auswerfen, sondern auch hochenergetische Neutrinos. Eins davon könnte kürzlich auf der Erde gesehen worden sein.

Beinahe Hyperraum: APOD-Zufallsgenerator

Heute vor 29 Jahren wurde das erste APOD veröffentlicht

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Wirbelndes Magnetfeld um das zentrale Schwarze Loch der Galaxis

Vor einem schwarzen Hintergrund leuchtet eine Spiralstruktur aus Fäden, die von innen nach außen verlaufen. Die Fäden sind in einen orangefarbenen Hintergrund gebettet.

Bildcredit: EHT-Zusammenarbeit

Was geschieht um das große Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie? Es saugt Materie aus einer wirbelnden Scheibe an – einer Scheibe, die magnetisiert ist, wie jetzt bestätigt wurde. Vor kurzem wurde beobachtet, dass die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs polarisiertes Licht aussendet. Das ist eine Strahlung, die häufig mit einer magnetisierten Quelle in Verbindung gebracht wird.

Das Bild zeigt eine Nahaufnahme von Sgr A*, dem zentralen Schwarzen Loch unserer Galaxie. Aufgenommen wurde sie von Radioteleskopen aus aller Welt, die am Event Horizon Telescope (EHT) Verbund beteiligt sind. Überlagert wird sie von gekrümmten Linien, die polarisiertes Licht anzeigen. Das wird wahrscheinlich von wirbelndem, magnetisiertem Gas emittiert, das bald in das Schwarze Loch mit einer Masse von mehr als 4 Millionen Sonnenmassen stürzen wird.

Der zentrale Teil dieses Bildes ist wahrscheinlich dunkel, weil zwischen uns und dem dunklen Ereignishorizont des Schwarzen Lochs nur wenig Gas zu sehen ist, welches auch Licht aussendet. Die fortgesetzte Beobachtung von Sgr A* und des zentralen Schwarzen Lochs der Galaxie M87 mit dem EHT könnte neue Erkenntnisse über die Schwerkraft Schwarzer Löcher und die Entstehung von Scheiben und Strahlströme durch einfallende Materie liefern.

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Illustration: Ein früher Quasar

Künstlerische Darstellung eines sehr Quasars im frühen Universum. In der Mitte ist ein heller Bereich, um den orangefarbenes und rotes Gas wirbelt. Nach links oben schießt ein heller Strahl.

Illustrationscredit und Lizenz: ESO, M. Kornmesser

Wie sahen die ersten Quasare aus? Von den Quasaren, die uns am nächsten sind, wissen wir heute, dass sie sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren aktiver Galaxien waren. Gas und Staub, die auf einen Quasar fallen, leuchten hell und überstrahlen manchmal ihre ganze Heimatgalaxie.

Doch Quasare aus den ersten Milliarden Jahren des Universums sind noch rätselhafter. Jüngste Daten machen diese künstlerische Darstellung möglich. Sie zeigt, wie ein Quasar aus der Frühzeit des Universums vielleicht aussah: Im Zentrum ist ein massereiches Schwarzes Loch, das von Hüllen aus Gas und einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Es stößt einen mächtigen Strahl aus.

Quasare gehören zu den fernsten Objekten, die wir sehen. Sie liefern der Menschheit einzigartige Information über das frühe Universum und den Bereich, der dazwischen liegt. Die ältesten Quasare, die wir derzeit kennen, haben eine Rotverschiebung von knapp 8 – das war nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Universum hatte nur ein paar Prozent seines heutigen Alters.

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HD 163296: Strahlen eines neuen Sterns

Dieses Bild des Sternsystems HD 163296 wurde von Atacama Large Millimeter Array (ALMA) und Very Large Telescope (VLT) der ESO aufgenommen.

Bildcredit: Sichtbares Licht: VLT/MUSE (ESO); Radiowellen: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Beschreibung: Wie entstehen diese Strahlströme bei der Sternbildung? Das ist nicht bekannt, doch aktuelle Bilder des jungen Sternsystems HD 163296 sind sehr aufschlussreich. Der Zentralstern auf diesem Bild befindet sich noch in der Entstehung, er ist aber bereits von einer rotierenden Scheibe und einem nach außen strömenden Strahl umgeben.

Die Scheibe wurde in Radiowellen abgebildet, die mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile aufgenommen wurden. Die Lücken darin sind wahrscheinlich durch die Schwerkraft sehr junger Planeten entstanden.

Der Strahlstrom wurde vom Very Large Telescope (VLT, ebenfalls in Chile) in sichtbarem Licht aufgenommen, er verströmt schnell bewegtes Gas – großteils Wasserstoff – vom Zentrum der Scheibe aus. Das System reicht über das Hundertfache der Entfernung Erde-Sonne (AE).

Die Details dieser neuen Beobachtungen werden nun ausgewertet, um die Vermutung zu untermauern, dass die Strahlen zumindest teilweise von Magnetfeldern in der rotierenden Scheibe erzeugt und geformt werden. Künftige Beobachtungen von HD 163296 und ähnlicher Sternbildungssysteme können helfen, die Details zu klären.

Astrophysiker*innen: Mehr als 2500 Codes in der Astrophysics Source Code Library
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Animation: Schwarzes Loch vernichtet Stern


Video-Illustrationscredit: DESY, Science Communication Lab

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt? Das Schwarze Loch zerreißt ihn – aber wie? Nicht die hohe Gravitationskraft ist das Problem – es sind die Gravitationskraftdifferenzen, die über den Stern hinweg verteilt sind, die zur Zerstörung führen.

Dieses animierte Video veranschaulicht die Auflösung. Am Beginn seht ihr einen Stern, der sich einem Schwarzen Loch nähert. Die Bahngeschwindigkeit nimmt zu, bei der größten Annäherung wird die äußere Atmosphäre des Sterns weggerissen. Ein Großteil der Sternatmosphäre verflüchtigt sich in den Weltraum, aber ein Teil kreist weiterhin um das Schwarze Loch und bildet eine Akkretionsscheibe.

Die Animation zeigt dann die Akkretionsscheibe mit Blick zum Schwarzen Loch. Neben seltsamen visuellen Gravitationslinseneffekten seht ihr sogar die Rückseite der Scheibe. Zuletzt verläuft der Blick einen der Strahlen entlang, die in der Rotationsachse ausgestoßen werden. Theoretische Modelle lassen vermuten, dass diese Strahlen nicht nur energiereiches Gas ausstoßen, sondern auch energiereiche Neutrinos erzeugen – eines davon wurde vielleicht kürzlich auf der Erde beobachtet.

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SS 433: Doppelstern-Mikroquasar


Animationscredit: DESY, Science Communication Lab

Beschreibung: SS 433 ist eines der exotischsten Sternsysteme, die wir kennen. Sein unscheinbarer Name entstand durch seinen Eintrag in einem Katalog von Milchstraßensternen, die eine für atomaren Wasserstoff charakteristische Strahlung aussenden. Sein auffälliges Verhalten stammt von einem kompakten Objekt – einem schwarzen Loch oder Neutronenstern –, um das sich eine Akkretionsscheibe mit Ausströmungen gebildet hat. Da die Scheibe und die Ausströmungen von SS 433 jenen um sehr massereiche schwarze Löcher in den Zentren ferner Galaxien ähneln, vermutet man, dass SS 433 ein Mikroquasar ist.

Dieses animierte Video basiert auf Beobachtungsdaten. Es zeigt einen massereichen, heißen, normalen Stern, der gemeinsam mit dem kompakten Objekt in einer Umlaufbahn gefangen ist. Zu Beginn des Videos sieht man, wie durch Gravitation Materie vom normalen Stern losgerissen wird, die auf eine Akkretionsscheibe fällt. Der Zentralstern stößt Strahlen aus ionisiertem Gas in entgegengesetzte Richtungen aus – mit jeweils etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.

Im nächsten Abschnitt zeigt das Video eine Aufsicht auf die ausströmenden Strahlen, die eine Präzessionsbewegung ausführen und dabei eine sich ausdehnende Spirale erzeugen. Danach sieht man die sich ausbreitenden Strahlen aus noch größerer Entfernung nahe dem Zentrum im Supernovaüberrest W50.

Vor zwei Jahren fand man mithilfe der HAWC-Detektoranordnung in Mexiko unerwartet heraus, dass SS 433 Gammastrahlen mit ungewöhnlich hoher Energie (im TeV-Bereich) aussendet. Doch es gibt weitere Überraschungen: Eine aktuelle Analyse von Archivdaten des NASA–Satelliten Fermi zeigt eine Gammastrahlenquelle, die – wie man hier sieht – von den Zentralsternen getrennt ist, und die aus bisher unbekannten Gründen Gammastrahlenpulse mit einer Periode von 162 Tagen aussendet – das entspricht der Präzessionsperiode der Strahlen von SS 433.

Lehrende und Studierende: Ideen für die Verwendung von APOD im Lehrsaal
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