Das schnelle Fest der Schwarzen Löcher schockiert Wissenschaftler

Eine neue Studie zeigt, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch Anziehung der Raumzeit den sie umgebenden heftigen Wirbel aus Trümmern (oder Akkretionsscheiben) auseinanderreißen und so eine innere und äußere Unterscheibe erzeugen können. Bildnachweis: Nick Kaz/Northwestern University

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher das Material um sie herum schneller verbrauchen als bisher angenommen. Diese aus hochauflösenden Simulationen gewonnene Erkenntnis könnte erklären, warum Quasare so schnell verglühen und verblassen.

neu Nordwestliche UniversitätDie von ihm geleitete Studie verändert die Art und Weise, wie Astrophysiker die Essgewohnheiten supermassereicher Schwarzer Löcher verstehen.

Während frühere Forscher davon ausgingen, dass Schwarze Löcher sich langsam ernähren, deuten neue Simulationen darauf hin, dass Schwarze Löcher ihre Nahrung viel schneller verdecken, als herkömmliche Erkenntnisse vermuten lassen.

Die Studie wurde am 20. September veröffentlicht Die Astrophysikalisches Journal.

Einblicke in die Simulation

Laut neuen hochauflösenden 3D-Simulationen verzerren rotierende Schwarze Löcher die sie umgebende Raumzeit und reißen schließlich den heftigen Gaswirbel (oder die Akkretionsscheibe) auseinander, der sie umgibt und speist. Dadurch wird die Festplatte in interne und externe Unterplatten zerlegt. Schwarze Löcher verschlingen zunächst den inneren Ring. Dann ergießen sich Trümmer von der äußeren Unterscheibe nach innen und füllen die Lücke, die der vollständig verbrauchte Innenring hinterlassen hat, und der Fressvorgang wird wiederholt.

Ein Zyklus dieses ununterbrochenen Prozesses des Essens, Auffüllens und Essens dauert nur Monate – eine erschreckend schnelle Zeitspanne im Vergleich zu den Hunderten von Jahren, die zuvor von Forschern vorgeschlagen wurden.

Diese neue Entdeckung könnte helfen, das dramatische Verhalten einiger der hellsten Objekte am Nachthimmel zu erklären, darunter Quasare, die plötzlich aufflammen und dann ohne Erklärung verschwinden.

Diese Simulation zeigt, wie sich die Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs in zwei Teilscheiben aufspalten könnte, die in diesem Bild nicht ausgerichtet sind. Bildnachweis: Nick Kaz/Northwestern University

„Die klassische Theorie der Akkretionsscheibe sagt voraus, dass sich die Scheibe langsam entwickelt“, sagte Nick Kaz von der Northwestern University, der die Studie leitete. „Aber einige Quasare – die dadurch entstehen, dass Schwarze Löcher Gas aus ihren Akkretionsscheiben fressen – scheinen sich im Laufe der Zeit über Monate bis Jahre radikal zu verändern. Dieser Unterschied ist ziemlich dramatisch. Das Innere der Scheibe, wo das meiste Licht herkommt, scheint sich zu verändern.“ zerstört werden.“ Dann regeneriert es sich. Die klassische Theorie der Akkretionsscheibe kann diesen drastischen Unterschied nicht erklären. Die Phänomene, die wir in unseren Simulationen sehen, können es jedoch. Die schnelle Aufhellung und Verdunkelung steht im Einklang mit der Zerstörung der inneren Bereiche der Scheibe.

Kaz ist Doktorand der Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Kaz beriet den Co-Autor des Papiers Alexander Chekhovskoy, einen Weinberg-Assoziierten Professor für Physik und Astronomie und Mitglied von CIERA.

Falsche Annahmen

Die Akkretionsscheiben, die Schwarze Löcher umgeben, sind physikalisch komplexe Objekte, was ihre Modellierung sehr schwierig macht. Die traditionelle Theorie hat Schwierigkeiten, zu erklären, warum diese Scheiben hell leuchten und dann plötzlich schwächer werden, manchmal bis hin zum völligen Verschwinden.

Frühere Forscher gingen fälschlicherweise davon aus, dass Akkretionsscheiben relativ organisiert sind. In diesen Modellen rotieren Gase und Partikel schwarzes Loch – In der gleichen Ebene wie das Schwarze Loch und in der gleichen Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs. Dann, über einen Zeitraum von Hunderten bis Hunderttausenden von Jahren, spiralen Gasmoleküle nach und nach in das Schwarze Loch, um es zu ernähren.

„Wie Gas zum Schwarzen Loch gelangt, um es zu ernähren, ist die zentrale Frage in der Physik der Akkretionsscheiben. Wenn man weiß, wie das geschieht, kann man erfahren, wie lange die Scheibe lebt, wie hell sie ist und wie das Licht wann aussehen sollte.“ wir beobachten es mit Teleskopen.“
-Nick Kaz, Hauptautor

„Seit Jahrzehnten gehen die Menschen ziemlich davon aus, dass Akkretionsscheiben der Rotation von Schwarzen Löchern entsprechen“, sagte Kaz. „Aber das Gas, das diese Schwarzen Löcher speist, weiß nicht unbedingt, in welche Richtung sich das Schwarze Loch dreht. Warum sollte es sich also automatisch ausrichten? Eine Änderung der Ausrichtung verändert das Bild radikal.“

Die Simulation der Forscher, eine der bisher höchstaufgelösten Simulationen von Akkretionsscheiben, legt nahe, dass die Regionen um ein Schwarzes Loch viel chaotischer und turbulenter sind als bisher angenommen.

Eher wie ein Gyroskop, weniger wie ein Gemälde

Mit Summit, einem der weltweit größten Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory, führten die Forscher eine dreidimensionale allgemeine magnetohydrodynamische Simulation (GRMHD) einer dünnen, geneigten Akkretionsscheibe durch. Während frühere Simulationen nicht robust genug waren, um die gesamte Physik einzubeziehen, die zum Aufbau eines realistischen Schwarzen Lochs erforderlich ist, bezieht das von Northwestern geleitete Modell Gasdynamik, Magnetfelder und allgemeine Relativitätstheorie ein, um ein vollständigeres Bild zu erhalten.

„Schwarze Löcher sind extreme allgemeinrelativistische Objekte, die die sie umgebende Raumzeit beeinflussen“, sagte Kaz. „Wenn es sich dreht, zieht es den Raum um sich herum wie ein riesiges Karussell und zwingt es, sich ebenfalls zu drehen – ein Phänomen, das „Frame Drag“ genannt wird. Dadurch entsteht ein wirklich starker Effekt in der Nähe des Schwarzen Lochs, der zunehmend schwächer wird weiter weg.“

Durch Ziehen am Rahmen bewegt sich die gesamte Scheibe im Kreis, ähnlich wie ein Gyroskop. Aber die innere Scheibe will viel schneller wackeln als die äußeren Teile. Dieses Ungleichgewicht der Kräfte führt dazu, dass sich die gesamte Scheibe verzieht und Gas aus verschiedenen Teilen der Scheibe kollidiert. Die Kollisionen erzeugen helle Schocks, die die Materie heftig immer näher an das Schwarze Loch schieben.

Je stärker die Verdrehung wird, desto schneller schwingt der tiefere Bereich der Akkretionsscheibe weiter, bis er sich vom Rest der Scheibe trennt. Den neuen Simulationen zufolge beginnen sich die Subplatten dann unabhängig voneinander zu entwickeln. Anstatt sich sanft zusammenzubewegen wie eine flache Platte, die ein Schwarzes Loch umgibt, schwingen die Teilscheiben unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln wie Räder auf einem Gyroskop.

„Wenn die innere Bandscheibe reißt, bewegt sie sich von selbst“, sagte Kaz. „Es bewegt sich schneller, weil es näher am Schwarzen Loch liegt und kleiner ist, sodass es sich leichter bewegen lässt.“

„Wo das Schwarze Loch gewinnt“

Laut der neuen Simulation beginnt der Fressrausch erst richtig in der Bruchzone – dort, wo sich die innere und die äußere Unterscheibe trennen. Während die Reibung versucht, die Scheibe zusammenzuhalten, will die Raumzeitkrümmung durch das rotierende Schwarze Loch sie auseinanderreißen.

„Es gibt einen Wettbewerb zwischen der Rotation des Schwarzen Lochs und der Reibung und dem Druck innerhalb der Scheibe“, sagte Kaz. „In der Bruchzone gewinnt das Schwarze Loch. Die innere und die äußere Scheibe kollidieren miteinander. Die äußere Scheibe schneidet die Schichten der inneren Scheibe ab und drückt sie nach innen.“

Nun schneiden sich die Teilscheiben in unterschiedlichen Winkeln. Die äußere Scheibe gießt Material über die innere Scheibe. Diese zusätzliche Masse drückt auch die innere Scheibe in Richtung des Schwarzen Lochs, wo sie gefressen wird. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs zieht dann Gas aus der äußeren Region in die nun leere innere Region, um es wieder aufzufüllen.

Quasar-Kontakt

Diese schnellen Zyklen des Fressens, Füllens und Fressens erklären wahrscheinlich das sogenannte „variable Aussehen“ des Quasars, sagte Kaz. Quasare sind extrem leuchtende Objekte, die 1.000-mal mehr Energie als die Gesamtenergie abgeben Milchstraße200 bis 400 Milliarden Sterne. Quasare mit variablem Aussehen gelten als extremer. Sie scheinen sich über einen Zeitraum von Monaten ein- und auszuschalten, was für einen typischen Quasar eine kleine Zeitspanne ist.

Obwohl die klassische Theorie Annahmen darüber machte, wie schnell sich Akkretionsscheiben entwickeln und ihre Helligkeit ändern, deuten Beobachtungen von Quasaren mit variablem Aussehen darauf hin, dass sie sich tatsächlich viel schneller entwickeln.

„Der innere Bereich der Akkretionsscheibe, von dem die meiste Helligkeit kommt, könnte vollständig verschwinden – sehr schnell, innerhalb von Monaten“, sagte Kaz. „Wir sehen, wie es vollständig verschwindet. Das System hört auf aufzuhellen. Dann leuchtet es wieder auf und der Vorgang wiederholt sich. Die konventionelle Theorie kann weder erklären, warum es überhaupt verschwunden ist, noch erklärt sie, wie es so schnell wieder aufgefüllt wird.“

Die neuen Simulationen können nicht nur Quasare erklären, sie könnten auch hartnäckige Fragen über die mysteriöse Natur von Schwarzen Löchern beantworten.

„Wie Gas zum Schwarzen Loch gelangt, um es zu ernähren, ist die zentrale Frage in der Physik der Akkretionsscheibe“, sagte Kaz. „Wenn man wüsste, wie das passiert, wüsste man, wie lange die Scheibe hält, wie hell sie ist und wie das Licht aussehen sollte, wenn wir sie mit Teleskopen beobachten.“

Referenz: „Düsenstöße, Scheibenrisse und Streamer führen zu einer schnellen Akkretion in 3D-GRMHD-Simulationen dünner verdrehter Scheiben“ von Nicholas Kaz, Matthew T. B. Liska, Jonathan Jacquemin Eade, Zachary L. Andalman, Jeboa Mosuki, Aleksandr Chekhovskoy und Oliver Borth , 20. September 2023, Astrophysikalisches Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Die Studie wurde vom US-Energieministerium und der National Science Foundation unterstützt.