Schlagwort: Akkretionsscheibe

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Aussicht in der Nähe eines Schwarzen Lochs

Ein roter Strudel reicht wie ein Trichter in die Tiefe, unten leuchtet eine helle Kugel, von der ein Strahl senkrecht aufsteigt.

Illustrationscredit: April Hobart, CXC

Mitten in einem Strudelbecken aus heißem Gas sitzt wahrscheinlich ein Ungeheuer, das noch nie direkt zu sehen war: ein Schwarzes Loch. Wenn man das helle Licht untersucht, das vom wirbelnden Gas abgestrahlt wird, bietet das häufig nicht nur Hinweise auf ein Schwarzen Lochs, sondern auch auf seine wahrscheinlichen Eigenschaften.

Man fand heraus, dass das Gas um beispielsweise GRO J1655-40 ungewöhnlich flackert. 450 Mal pro Sekunde flackert dieses Gas. Eine frühere Abschätzung der Masse des Objekts im Zentrum ergab sieben Sonnenmassen. Daher kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein Schwarzes Loch erklärt werden, das sehr schnell rotiert.

Welche physikalischen Mechanismen das Flackern und eine langsamere quasiperiodische Schwingung in Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher und Neutronensterne verursacht, wird noch erforscht.

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Die wolkigen Kerne aktiver Galaxien

Bildcredit: NASA / GSFC, W. Steffen (UNAM)

Wie sieht es aus, wenn man ins Zentrum einer aktiven Galaxie reist? Vermutlich enthalten die meisten Galaxienzentren Schwarze Löcher. Sie sind Millionen Mal massereicher als unsere Sonne. Die Räume um diese sehr massereichen Schwarzen Löcher sind wohl alles andere als ruhig. Sie flackern in vielen Farben. Daher trägt die gesamte Objektklasse die Bezeichnung Aktiver Galaxienkern.

Dieses Video zeigt, wie ein aktiver galaktischer Kern aus der Nähe aussehen könnte. Aktive Galaxienkerne besitzen meist massereiche Akkretionsscheiben, die das zentrale Schwarze Loch speisen. Mächtige Strahlen schießen elektrisch geladene Materie weit hinaus ins umgebende Universum.

Wolken aus Gas und Staub kreisen um die zentralen Schwarzen Löcher. In jüngster Zeit erkannte man, dass die Wolken so dicht sind, dass sie sogar die alles durchdringenden Röntgenstrahlen ausblenden können, sodass sie uns nicht erreichen. Solche Trübungen von Röntgenlicht können Stunden oder Jahre dauern. Das wurden bei der Analyse von Daten entdeckt, die in mehr als einem Jahrzehnt vom Rossi–X-ray-Timing-Explorer (RXTE) der NASA gewonnen wurden.

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Schwere Strahlen eines Schwarzen Lochs in 4U1630-47

Das Bild ist eine Illustration des Sternsystems 4U1630-47. Links in der Mitte ist eine rotierende Scheibe, außen rot, innen gelb. Nach oben und unten schießt senkrecht zur Scheibe ein Strahl heraus. Rechts ist ein großer, blauweißer Stern, von dem Materie zur Akkretionsscheibe fließt.

Illustrationscredit: NASA, CXC, M. Weiss

Woraus bestehen die Strahlen eines Schwarzen Lochs? Viele Schwarze Löcher in Sternsystemen sind vermutlich von Scheiben umgeben. Sie bestehen aus Gas und Plasma, das durch Gravitation von einem nahen Begleitstern abgesaugt wird. Ein Teil dieser Materie wird vom Sternsystem als mächtiger Strahl ausgestoßen, nachdem sie sich dem Schwarzen Loch genähert hat. An den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs strömt ein Strahl nach oben und einer nach unten.

Es gibt aktuelle Hinweise, dass diese Strahlen nicht nur aus Elektronen und Protonen bestehen, sondern auch aus den Kernen schwerer Elemente wie Eisen und Nickel. Die Entdeckung wurde im System 4U1630-47 gemacht, und zwar mit einer kompakten Anordnung an Radioteleskopen im Osten Australiens, die von CSIRO betrieben wird, sowie mit dem Satelliten XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation in der Erdumlaufbahn.

Das Sternsystem 4U1630-47 ist oben künstlerisch dargestellt. Rechts ragt ein großer blauer Stern ins Bild. Von einem Schwarzen Loch im Zentrum der Akkretionsscheibe links strömen Strahlen nach oben und unten. Das Sternsystem 4U1630-47 enthält vermutlich nur ein kleines Schwarzes Loch mit wenigen Sonnenmassen. Trotzdem ist die Schlussfolgerung aus dieser Beobachtung bedeutsam, nämlich dass auch größere Schwarze Löcher Strahlen mit massereichen Kernen ins Universum ausstoßen.

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Rotationsbeschleunigung eines massereichen Schwarzen Lochs

Das Bild zeigt eine schräg liegende orange beleuchtete Akkretionsscheibe, aus der Mitte strömt ein blau leuchtender Jet.

Illustrations-Credit: Robert Hurt, NASA/JPL-Caltech

Wie schnell kann ein Schwarzes Loch rotieren? Wenn sich ein Objekt aus normaler Materie zu schnell dreht, bricht es auseinander. Doch ein Schwarzes Loch sollte nicht auseinanderbrechen können – und seine maximale Rotationsgeschwindigkeit ist tatsächlich nicht bekannt.

Theoretiker* modellieren schnell rotierende Schwarze Löcher üblicherweise mit der Kerr-Metrik zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese sagt mehrere überraschende und ungewöhnliche Dinge vorher. Die vielleicht am einfachsten nachprüfbare Prognose besagt, dass Materie, die in ein mit maximaler Geschwindigkeit rotierendes Schwarzes Loch fällt, zuletzt sichtbar sein sollte, wenn sie das Schwarze Loch fast mit Lichtgeschwindigkeit umkreist. Das sollte man aus großer Entfernung beobachten können.

Diese Prognose wurde kürzlich mit den Satelliten NuSTAR der NASA und XMM der ESA untersucht. Dafür wurde das sehr massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365 beobachtet.

Die Grenze nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bestätigt, indem man die Aufheizung und die Verbreiterung der Spektrallinien von Kernemissionen nahe dem inneren Rand der Akkretionsscheibe vermaß.

Die künstlerische Darstellung oben zeigt eine Akkretionsscheibe aus normaler Materie, die um ein Schwarzes Loch wirbelt, und einen Strahl, der aus der Oberseite strömt. Materie, die zufällig in das Schwarze Loch fällt, sollte die Rotation eines Schwarzen Lochs nicht so stark beschleunigen. Daher bestätigen die Messungen von NuSTAR und XMM auch die Existenz der umgebenden Akkretionsscheibe.

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GRO J1655-40: Hinweis auf ein rotierendes schwarzes Loch

Ein rot-schwarzer Strudel führt hinab zu einem weißen, hellen Kern, aus dem ein Strahl nach oben strömt.

Credit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Mitten in einem Strudel aus heißem Gas steckt wahrscheinlich ein Ungeheuer, das noch nie direkt gesehen wurde: ein schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichtes, das von dem wirbelnden Gas ausgeht, weisen häufig nicht nur auf ein schwarzes Loch hin, sondern auch auf dessen wahrscheinliche Eigenschaften.

Das Gas zum Beispiel, das GRO J1655-40 umgibt, weist ein ungewöhnliches Flackern mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde auf. Bei einer vorherigen Masse des Zentralobjektes von schätzungsweise sieben Sonnenmassen kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein schwarzes Loch erklärt werden, das sehr schnell rotiert.

Welche physikalischen Wirkmechanismen das Flackern sowie eine langsamere, quasi-periodische Schwingung (QPO) in Akkretionsscheiben schlussendlich verursachen, ist noch nicht bekannt – Schwarze Löcher und Neutronensterne werden weiterhin erforscht.

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Dämmerung vor der Nova

Die Illustration zeigt den Blick aus einer Höhle auf eine dystopische Landschaft mit felsigen Bergspitzen, hinter dem Horizont leuchtet ein helles Objekt, von dem eine Leuchtspur zu einem höher liegenden Objekt mit Akkretionsscheibe führt. Links und rechts von der Leuchtspur sind die beleuchteten Sicheln von Planeten zu sehen.

Illustrationscredit und Bildrechte: Mark A. Garlick (Space-art.co.uk)

Beschreibung: Wird diese Dämmerung eine weitere Nova bringen? Vielleicht denken eines Tages Menschen in der Zukunft, die auf einem Planeten eines eruptiv veränderlichen Doppelsternsystems über solche Ungewissheiten nach.

Bei eruptiv veränderlichen Sternen fällt Gas von einem großen Stern in eine Akkretionsscheibe, die einen massereiche, kompakten weißen Zwergstern umkreist. Explosive veränderliche Ereignisse wie eine Zwergnova finden statt, wenn ein Klumpen Gas im Inneren der Akkretionsscheibe über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Dann fällt der Klumpen schneller auf den weißen Zwerg und landet mit einem hellen Blitz.

Solche Zwergnovae zerstören keinen der beiden Sterne und könnten in unregelmäßig in Zeitabständen von wenigen Tagen bis zu zehn Jahren stattfinden. Eine Nova ist zwar viel energieärmer als eine Supernova – wenn periodische Novae nicht heftig genug sind, um mehr Gas abzustoßen als einfällt, dann sammelt sich die Masse auf dem weißen Zwerg an, bis sie die Chandrasekhar-Grenze überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt würde eine Höhle im Vordergrund wenig Schutz bieten, da der gesamte weiße Zwerg als gewaltige Supernova explodiert.

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Hüllen um den Mikroquasar Cygnus X-1

Die Grafik zeigt einen Mikroquasar, in den Materie fällt. Er ist von einer Akkretionsscheibe umgeben.

Credit und Bildrechte: Steve Cullen

Beschreibung: Was passiert mit Materie, die in ein aktives Schwarzes Loch fällt? Im Fall von Cygnus X-1 gelangt wahrscheinlich nur ein kleiner Teil dieser Materie hinein. Einfallendes Gas kollidiert nicht nur mit sich selbst, sondern mit einer Akkretionsscheibe aus wirbelnder Materie, die das schwarze Loch umgibt.

Das Ergebnis könnte ein Mikroquasar sein, der im gesamten elektromagnetischen Spektrum leuchtet und mächtige Strahlen erzeugt, die einen Großteil der einfallenden Materie fast mit Lichtgeschwindigkeit in den Kosmos zurückwirft, ehe sie sich dem Ereignishorizont des schwarzen Lochs auch nur nähern kann.

Die Bestätigung, dass die Jets schwarzer Löcher Hüllen erzeugen können, welche sich ausdehnen, erfolgte kürzlich durch die Entdeckung von Hüllen um Cygnus X-1. Rechts oben ist eine solche Hülle abgebildet, die sehr wahrscheinlich durch den Jet des Mikroquasars und Kandidaten für ein schwarzes Loch Cygnus X-1 erzeugt wurde. Wenn Sie den Mauspfeil über das Bild bewegen, sehen Sie eine kommentierte Ansicht. Der physikalische Prozess, der die Jets des Schwarzen Lochs erzeugt, wird weiterhin erforscht.

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Aussicht in der Nähe eines schwarzen Lochs

In einem von roten kreisförmigen Bahnen gebildeten Trichter befindet sich in der Mitte ein weiß leuchtendes Gebilde, von dem ein rauchartiger Strahl aufsteigt.

Illustrationscredit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Im Zentrum eines wirbelnden Strudels heißen Gases sitzt wahrscheinlich eine Bestie, die nie direkt beobachtet wurde: ein schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichts, das von dem wirbelnden Gas ausgestrahlt wird, weisen häufig nicht nur auf das Vorhandensein eines schwarzen Loches hin, sondern auch auf seine wahrscheinlichen Eigenschaften. Das Gas in der Umgebung von GRO J1655-40 weist zum Beispiel ein ungewöhnliches Flackern mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde auf. Angesichts einer früheren Massenabschätzung für das zentrale Objekt von sieben Sonnenmassen kann das schnelle Flackern durch ein schwarzes Loch erklärt werden, das rasend schnell rotiert. Welche physischen Mechanismen das Flackern – und eine langsamere quasi-periodische Schwingung – in Akkretionsscheiben, welche schwarze Löcher und Neutronensterne umgeben, verursachen, bleibt Gegenstand umfangreicher Forschungen.

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