Schwarze Löcher waren eine endlose Quelle der Faszination, seit Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie ihre Existenz vorausgesagt hat. In den letzten 100 Jahren hat sich das Studium der Schwarzen Löcher erheblich weiterentwickelt, aber die Ehrfurcht und das Geheimnis dieser Objekte bleiben bestehen. Zum Beispiel haben Wissenschaftler festgestellt, dass in einigen Fällen in Schwarzen Löchern massive Strahlen geladener Teilchen von ihnen ausgehen, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken.
Diese „relativistischen Jets“ - so genannt, weil sie geladene Teilchen mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit antreiben - haben Astronomen seit Jahren verwirrt. Dank einer kürzlich von einem internationalen Forscherteam durchgeführten Studie wurden jedoch neue Erkenntnisse über diese Jets gewonnen. In Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zeigten die Forscher, dass diese Strahlen allmählich voranschreiten (d. H. Die Richtung ändern), weil Raum-Zeit in die Rotation des Schwarzen Lochs gezogen wird.
Ihre Studie mit dem Titel „Bildung von Präzessionsstrahlen durch geneigte Schwarzlochscheiben in allgemeinen relativistischen 3D-MHD-Simulationen“ erschien kürzlich in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Das Team bestand aus Mitgliedern des Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in der Astrophysik (CIERA) der Northwestern University.
Für ihre Studie führte das Team Simulationen mit dem Supercomputer Blue Waters an der Universität von Illinois durch. Die von ihnen durchgeführten Simulationen waren die ersten, die das Verhalten relativistischer Jets aus Supermassive Black Holes (SMBHs) modellierten. Mit fast einer Milliarde Rechenzellen war es auch die höchstauflösende Simulation eines akkretierenden Schwarzen Lochs, die jemals erreicht wurde.
Alexander Tchekhovskoy, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten, erklärte kürzlich in einer Pressemitteilung von Northwestern Now:
„Zu verstehen, wie rotierende Schwarze Löcher die Raumzeit um sie herum ziehen und wie sich dieser Prozess auf das auswirkt, was wir durch die Teleskope sehen, bleibt ein entscheidendes, schwer zu knackendes Rätsel. Glücklicherweise bringen uns die Durchbrüche in der Codeentwicklung und die Sprünge in der Supercomputer-Architektur dem Finden der Antworten immer näher. “
Ähnlich wie bei allen Supermassive Black Holes verschlingen sich schnell drehende SMBHs regelmäßig Materie. Schnell drehende Schwarze Löcher sind jedoch auch dafür bekannt, dass sie Energie in Form relativistischer Jets abgeben. Die Materie, die diese schwarzen Löcher speist, bildet eine rotierende Scheibe um sie herum - auch bekannt als. eine Akkretionsscheibe - die durch heiße, angeregte Gas- und Magnetfeldlinien gekennzeichnet ist.
Es ist das Vorhandensein dieser Feldlinien, die es Schwarzen Löchern ermöglichen, Energie in Form dieser Jets anzutreiben. Weil diese Jets so groß sind, sind sie leichter zu studieren als die Schwarzen Löcher selbst. Auf diese Weise können Astronomen verstehen, wie schnell sich die Richtung dieser Jets ändert, was Aufschluss über die Drehung der Schwarzen Löcher selbst gibt - beispielsweise über die Ausrichtung und Größe ihrer rotierenden Scheiben.
Für die Untersuchung von Schwarzen Löchern sind fortgeschrittene Computersimulationen erforderlich, vor allem, weil sie im sichtbaren Licht nicht beobachtbar sind und normalerweise sehr weit entfernt sind. Das der Erde am nächsten gelegene SMBH ist beispielsweise Schütze A *, der sich etwa 26.000 Lichtjahre entfernt im Zentrum unserer Galaxie befindet. Daher sind Simulationen die einzige Möglichkeit, um festzustellen, wie ein hochkomplexes System wie ein Schwarzes Loch funktioniert.
In früheren Simulationen gingen die Wissenschaftler davon aus, dass die Scheiben des Schwarzen Lochs ausgerichtet waren. Es wurde jedoch festgestellt, dass die meisten SMBHs gekippte Scheiben haben - d. H. Die Scheiben drehen sich um eine separate Achse als das Schwarze Loch selbst. Diese Studie war daher insofern wegweisend, als sie zeigte, wie Scheiben die Richtung relativ zu ihrem Schwarzen Loch ändern können, was dazu führt, dass Jets ihre Richtung periodisch ändern.
Dies war bisher nicht bekannt, da unglaublich viel Rechenleistung erforderlich ist, um 3D-Simulationen der Region um ein sich schnell drehendes Schwarzes Loch zu erstellen. Mit der Unterstützung eines Stipendiums der National Science Foundation (NSF) konnte das Team dies mit dem Blue Waters, einem der größten Supercomputer der Welt, erreichen.
Mit diesem Supercomputer konnte das Team den ersten Black-Hole-Simulationscode erstellen, den sie mithilfe von Grafikprozessoren (GPUs) beschleunigten. Dank dieser Kombination konnte das Team Simulationen durchführen, die die höchste jemals erreichte Auflösung hatten - d. H. Nahezu eine Milliarde Rechenzellen. Wie Tchekhovskoy erklärte:
„Mit der hohen Auflösung konnten wir erstmals sicherstellen, dass kleine turbulente Scheibenbewegungen in unseren Modellen genau erfasst werden. Zu unserer Überraschung erwiesen sich diese Bewegungen als so stark, dass die Scheibe dick wurde und die Scheibenpräzession stoppte. Dies deutet darauf hin, dass Präzessionen in Schüben auftreten können. “
Die Präzession relativistischer Jets könnte erklären, warum in der Vergangenheit Lichtschwankungen aus der Umgebung von Schwarzen Löchern beobachtet wurden, die als quasi-periodische Schwingungen (QPOs) bezeichnet werden. Diese Strahlen, die zuerst von Michiel van der Klis (einem der Mitautoren der Studie) entdeckt wurden, funktionieren ähnlich wie die Strahlen eines Quasars, die einen Stroboskopeffekt zu haben scheinen.
Diese Studie ist eine von vielen, die an rotierenden Schwarzen Löchern auf der ganzen Welt durchgeführt werden. Ziel ist es, ein besseres Verständnis für neuere Entdeckungen wie Gravitationswellen zu erlangen, die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern verursacht werden. Diese Studien werden auch auf Beobachtungen mit dem Event Horizon Telescope angewendet, mit dem die ersten Bilder des Schattens von Schütze A * aufgenommen wurden. Was sie enthüllen werden, wird sicherlich das Geheimnis der Schwarzen Löcher erregen und in Erstaunen versetzen und möglicherweise vertiefen.
Im vergangenen Jahrhundert hat sich die Untersuchung von Schwarzen Löchern erheblich weiterentwickelt - von rein theoretischen über indirekte Untersuchungen ihrer Auswirkungen auf die umgebende Materie bis hin zur Untersuchung von Gravitationswellen selbst. Vielleicht können wir sie eines Tages tatsächlich direkt studieren oder (wenn es nicht zu viel ist, auf das wir hoffen können) direkt in sie hineinschauen!
