Schematische Darstellung des geneigten Akkretionsscheibenmodells. In dieser Abbildung wird davon ausgegangen, dass die Spinachse des Schwarzen Lochs gerade nach oben und unten verläuft. Die Strahlrichtung zeigt nahezu senkrecht zur Scheibenebene. Die Fehlausrichtung zwischen der Drehachse des Schwarzen Lochs und der Rotationsachse der Scheibe löst die Präzession von Scheibe und Jet aus. Bildnachweis: Yuzhu Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse und Zhejiang Lab
Die M87-Galaxie schwarzes Loch weist einen oszillierenden Strahl auf, was seinen Spin bestätigt, wie aus einer zwei Jahrzehnte dauernden Studie abgeleitet wurde, die mit Einsteins Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt.
Die nahegelegene Radiogalaxie M87, die 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt und ein Schwarzes Loch mit 6,5 Milliarden Mal größerer Masse als die Sonne beherbergt, weist einen oszillierenden Jet auf, der mit einer Amplitude von etwa 10 Grad auf und ab schwingt, was die Existenz eines Schwarzen Lochs bestätigt drehen.
Die Studie, die vom chinesischen Forscher Dr. Yuzhu Cui geleitet und in veröffentlicht wurde Natur am 27. September wurde von einem internationalen Team mithilfe eines globalen Netzwerks von Radioteleskopen durchgeführt.
„Dieses riesige Schwarze Loch dreht sich tatsächlich.“ — Dr. Kazuhiro Hada
Durch eine umfassende Analyse der Teleskopdaten aus den Jahren 2000–2022 enthüllte das Forscherteam einen wiederkehrenden 11-Jahres-Zyklus in der Präzessionsbewegung der Jet-Basis, wie in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Studie verbindet die Dynamik des Jets mit dem zentralen supermassiven Schwarzen Loch und liefert Beweise dafür, dass sich das Schwarze Loch von M87 dreht.
Phänomene supermassiver Schwarzer Löcher
Supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien – die störendsten Himmelsobjekte in unserem Universum – können aufgrund der außergewöhnlichen Gravitationskraft und Macht enorme Mengen an Material ansammeln Plasma Ausflüsse, sogenannte Jets, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern und sich Tausende von Lichtjahren entfernt erstrecken.
Der Energieübertragungsmechanismus zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und ihren Akkretionsscheiben und relativistischen Jets gibt Physikern und Astronomen seit über einem Jahrhundert Rätsel auf. Eine vorherrschende Theorie besagt, dass einem rotierenden Schwarzen Loch Energie entzogen werden kann, wodurch etwas Material, das das supermassereiche Schwarze Loch umgibt, mit großer Energie herausgeschleudert werden kann. Der Spin supermassereicher Schwarzer Löcher, ein entscheidender Faktor in diesem Prozess und neben der Masse des Schwarzen Lochs der grundlegendste Parameter, wurde jedoch nicht direkt beobachtet.
Oberes Feld: M87-Jet-Struktur bei 43 GHz basierend auf halbjährlichen Stapeldaten, die von 2013 bis 2018 beobachtet wurden. Die weißen Pfeile geben den Strahlpositionswinkel in jedem Unterdiagramm an. Unteres Feld: Beste angepasste Ergebnisse basierend auf dem jährlich gestapelten Bild von 2000–2022. Die grünen und blauen Punkte wurden aus Beobachtungen bei 22 GHz bzw. 43 GHz erhalten. Die rote Linie stellt die beste Anpassung gemäß dem Präzessionsmodell dar. Bildnachweis: Yuzhu Cui et al., 2023
Konzentrieren Sie sich auf M87
In dieser Studie konzentrierte sich das Forschungsteam auf M87, wo 1918 der erste beobachtende astrophysikalische Jet beobachtet wurde. Dank seiner Nähe können die Jet-Entstehungsregionen in der Nähe des Schwarzen Lochs mit der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) detailliert aufgelöst werden. wie durch aktuelle Schattenbilder Schwarzer Löcher mit dem Event Horizon Telescope (EHT) dargestellt. Durch die Analyse der VLBI-Daten von M87, die in den letzten 23 Jahren gesammelt wurden, entdeckte das Team den periodischen Präzessionsjet an seiner Basis und gab Einblick in den Zustand des zentralen Schwarzen Lochs.
Dynamik und Relativität Schwarzer Löcher
Im Mittelpunkt dieser Entdeckung steht die entscheidende Frage: Welche Kraft im Universum kann die Richtung eines so mächtigen Jets ändern? Die Antwort könnte im Verhalten der Akkretionsscheibe verborgen sein, einer Konfiguration, die mit dem zentralen supermassiven Schwarzen Loch zusammenhängt.
Wenn einfallende Materialien aufgrund ihrer Drehimpulse das Schwarze Loch umkreisen, bilden sie eine scheibenartige Struktur, bevor sie sich allmählich spiralförmig nach innen drehen, bis sie schließlich in das Schwarze Loch hineingezogen werden. Wenn sich das Schwarze Loch jedoch dreht, übt es einen erheblichen Einfluss auf die umgebende Raumzeit aus und führt dazu, dass Objekte in der Nähe entlang seiner Rotationsachse gezogen werden, ein Phänomen, das als „Frame-Dragging“ bekannt ist und in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde.
„Wir sind begeistert von diesem bedeutenden Ergebnis.“ — Yuzhu Cui
Die umfassende Analyse des Forschungsteams deutet darauf hin, dass die Rotationsachse der Akkretionsscheibe nicht mit der Rotationsachse des Schwarzen Lochs übereinstimmt, was zu einem Präzessionsjet führt. Der Nachweis dieser Präzession liefert den eindeutigen Beweis dafür, dass sich das supermassereiche Schwarze Loch in M87 tatsächlich dreht, und verbessert so unser Verständnis der Natur supermassereicher Schwarzer Löcher.
„Wir sind von diesem bedeutenden Ergebnis begeistert“, sagte Yuzhu Cui, Postdoktorand am Zhejiang Lab, einer Forschungseinrichtung in Hangzhou, und Haupt- und korrespondierender Autor des Papiers. „Da die Fehlausrichtung zwischen dem Schwarzen Loch und der Scheibe relativ gering ist und die Präzessionsperiode etwa 11 Jahre beträgt, sind die Sammlung hochauflösender Daten zur Verfolgung der Struktur von M87 über zwei Jahrzehnte und eine gründliche Analyse unerlässlich, um diesen Erfolg zu erzielen.“
„Nach dem Erfolg der Bildgebung von Schwarzen Löchern in dieser Galaxie mit dem EHT war die Frage, ob sich dieses Schwarze Loch dreht oder nicht, ein zentrales Anliegen der Wissenschaftler“, fügte Dr. Kazuhiro Hada vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans hinzu. „Jetzt ist aus Vorfreude Gewissheit geworden. Dieses riesige Schwarze Loch dreht sich tatsächlich.“
Beiträge und zukünftige Implikationen
Diese Arbeit nutzte insgesamt 170 Beobachtungsperioden, die vom East Asian VLBI Network (EAVN), dem Very Long Baseline Array (VLBA), dem gemeinsamen Array von KVN und VERA (KaVA) und dem East Asia to Italy Nearly erhalten wurden Globales (ESSEN-)Netzwerk. Insgesamt haben mehr als 20 Teleskope auf der ganzen Welt zu dieser Studie beigetragen.
Auch Radioteleskope in China leisteten einen Beitrag zu diesem Projekt, darunter das 65-Meter-Radioteleskop Tianma mit seiner riesigen Schüssel und der hohen Empfindlichkeit bei Millimeterwellenlängen. Darüber hinaus verbessert das 26-Meter-Radioteleskop Xinjiang die Winkelauflösung von EAVN-Beobachtungen. Um diesen Erfolg zu erzielen, sind qualitativ hochwertige Daten mit hoher Empfindlichkeit und hoher Winkelauflösung unerlässlich.
„Das im Gebäude befindliche 40-Meter-Radioteleskop Shigatse des Shanghai Astronomical Observatory wird die Abbildungsfähigkeit des EAVN im Millimeterbereich weiter verbessern. Insbesondere das tibetische Plateau, auf dem sich das Teleskop befindet, verfügt über einen der besten Standortbedingungen für Beobachtungen im (Sub-)Millimeterwellenlängenbereich. Es erfüllt unsere Erwartungen, inländische Submillimeter-Einrichtungen für astronomische Beobachtungen zu fördern“, sagte Prof. Zhiqiang Shen, Direktor des Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Während diese Studie Licht auf die mysteriöse Welt supermassereicher Schwarzer Löcher wirft, stellt sie auch gewaltige Herausforderungen dar. Die Struktur der Akkretionsscheibe und der genaue Wert des Spins des supermassereichen Schwarzen Lochs M87 sind immer noch höchst ungewiss. Diese Arbeit sagt auch voraus, dass es weitere Quellen mit dieser Konfiguration geben wird, was Wissenschaftler vor die Herausforderung stellt, sie zu entdecken.
Referenz: „Präzedenzstrahldüse verbindet sich mit einem rotierenden Schwarzen Loch in M87“ von Yuzhu Cui, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yosuke Mizuno, Hyunwook Ro, Mareki Honma, Kunwoo Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Shen, Evgeniya Kravchenko, Juan-Carlos Algaba, Xiaopeng Cheng, Ilje Cho, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru-Sen Lu, Kotaro Niinuma, Junghwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada-Satoh, Bong Won Sohn , Hiroyuki R. Takahashi, Mieko Takamura, Fumie Tazaki, Sascha Trippe, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Buttaccio, Do-Young Byun, Lang Cui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang-Sung Lee, Jee Won Lee, Jeong Ae Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Se-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Ju-Yeon Hwang, Dong-Kyu Jung, Hyo-Ryoung Kim, Jeong-Sook Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guanghui Li, Xiaofei Li, Zhiyong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung-Sik Oh, Tomoaki Oyama, Duk-Gyoo Roh , Jinqing Wang, Na Wang, Shiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-Hwan Yeom, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongbing Zhao und Weiye Zhong, 27. September 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6