Teleskope enthüllen die schnelle Drehung des Schwarzen Lochs der Milchstraße, das die Raumzeit verzerrt

• Eine neue Studie könnte helfen, die Frage zu klären, wie schnell die Milchstraßeist supermassiv schwarzes Loch dreht sich.
• Das Schwarze Loch, bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*), enthält etwa 4 Millionen Mal die Masse der Sonne.
• Benutzen NASAMithilfe des Chandra-Röntgenobservatoriums und des Very Large Array der NSF ergab diese Studie, dass sich Sgr A* sehr schnell dreht.
• Dieser hohe Spin verzerrt die Raumzeit um Sgr A*, sodass es die Form eines American Footballs zu haben scheint.

Die Illustration dieses Künstlers zeigt die Ergebnisse einer neuen Studie über das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie namens Sagittarius A* (abgekürzt als Sgr A*). Dieses Ergebnis ergab, dass sich Sgr A* so schnell dreht, dass es die Raumzeit – also die Zeit und die drei Dimensionen des Raums – verzerrt, sodass es eher wie ein Fußball aussehen kann.

Diese Ergebnisse wurden mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA und dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der NSF erstellt. Ein Forscherteam wandte eine neue Methode an, die Röntgen- und Radiodaten nutzt, um zu bestimmen, wie schnell sich Sgr A* dreht, basierend darauf, wie Material zum Schwarzen Loch hin und von diesem weg fließt. Sie fanden heraus, dass sich Sgr A* mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die etwa 60 % des maximal möglichen Werts beträgt, und mit einem Drehimpuls von etwa 90 % des maximal möglichen Werts.

Schwarze Löcher haben zwei grundlegende Eigenschaften: ihre Masse (wie viel sie wiegen) und ihren Spin (wie schnell sie rotieren). Die Bestimmung eines dieser beiden Werte sagt den Wissenschaftlern viel über jedes Schwarze Loch und sein Verhalten aus. In der Vergangenheit haben Astronomen mithilfe unterschiedlicher Techniken mehrere andere Schätzungen der Rotationsgeschwindigkeit von Sgr A* durchgeführt. Die Ergebnisse reichten von Sgr A*, das sich überhaupt nicht drehte, bis hin zu einer Rotation, die sich fast mit der maximalen Geschwindigkeit drehte.

Die neue Studie legt nahe, dass sich Sgr A* tatsächlich sehr schnell dreht, was dazu führt, dass die Raumzeit um es herum zusammengedrückt wird. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt von Sgr A* und Material, das in einer Scheibe darum herumwirbelt. Die schwarze Kugel in der Mitte stellt den sogenannten Ereignishorizont des Schwarzen Lochs dar, den Punkt ohne Wiederkehr, von dem nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann.

Betrachtet man das rotierende Schwarze Loch von der Seite, wie in dieser Abbildung dargestellt, hat die umgebende Raumzeit die Form eines Fußballs. Je schneller die Drehung, desto flacher der Fußball.

Das gelb-orange Material auf beiden Seiten stellt Gas dar, das um Sgr A* wirbelt. Dieses Material stürzt unweigerlich in Richtung des Schwarzen Lochs und überquert den Ereignishorizont, sobald es in die Fußballform fällt. Der Bereich innerhalb der Fußballform, aber außerhalb des Ereignishorizonts wird daher als Hohlraum dargestellt. Die blauen Flecken zeigen Jets, die von den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs wegfeuern. Wenn man von oben entlang des Strahlrohrs auf das Schwarze Loch herabblickt, hat die Raumzeit eine Kreisform.

Chandra-Röntgenbild von Sagittarius A* und der umliegenden Region. Bildnachweis: NASA/CXC/Univ. of Wisconsin/Y.Bai, et al.

Der Spin eines Schwarzen Lochs kann als wichtige Energiequelle dienen. Rotierende supermassive Schwarze Löcher erzeugen kollimierte Ausflüsse wie Jets, wenn ihnen ihre Spinenergie entzogen wird, was voraussetzt, dass sich in der Nähe des Schwarzen Lochs zumindest etwas Materie befindet. Aufgrund des begrenzten Treibstoffs um Sgr A* war dieses Schwarze Loch in den letzten Jahrtausenden relativ ruhig und hatte relativ schwache Jets. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass sich dies ändern könnte, wenn die Materialmenge in der Nähe von Sgr A* zunimmt.

Um den Spin von Sgr A* zu bestimmen, verwendeten die Autoren eine empirisch fundierte Technik namens „Outflow-Methode“, die die Beziehung zwischen dem Spin des Schwarzen Lochs und seiner Masse, den Eigenschaften der Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs usw. detailliert beschreibt die Abflusseigenschaften. Der kollimierte Ausfluss erzeugt die Radiowellen, während die das Schwarze Loch umgebende Gasscheibe für die Röntgenemission verantwortlich ist. Mit dieser Methode kombinierten die Forscher Daten von Chandra und dem VLA mit einer unabhängigen Schätzung der Masse des Schwarzen Lochs von anderen Teleskopen, um den Spin des Schwarzen Lochs einzuschränken.

Das von Ruth Daly (Penn State University) geleitete Papier, das diese Ergebnisse beschreibt, ist in der Januarausgabe 2024 der veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Referenz: „Neue Spinwerte des Schwarzen Lochs für Sagittarius A*, erhalten mit der Outflow-Methode“ von Ruth A. Daly, Megan Donahue, Christopher P. O’Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard und Anan Lu, 21. Oktober 2023, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad3228

Die anderen Autoren sind Biny Sebastian (Universität Manitoba, Kanada), Megan Donahue (Michigan State University), Christopher O’Dea (Universität Manitoba), Daryl Haggard (McGill University) und Anan Lu (McGill University).

Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert den wissenschaftlichen Betrieb von Cambridge, Massachusetts, und den Flugbetrieb von Burlington, Massachusetts.