Der präzedierende Jet von M87 enthüllt die schnelle Rotation des Schwarzen Lochs – Physics World

Der präzedierende Jet von M87 enthüllt die schnelle Rotation des Schwarzen Lochs – Physics World

Zeitstempel: 6. Oktober 2023, 9:00 Uhr

Künstlerische Darstellung des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87
Modell mit geneigter Akkretionsscheibe Künstlerische Darstellung des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87, die zeigt, wie die Akkretionsscheibe und der Jet nicht mit der Rotationsachse des Schwarzen Lochs ausgerichtet sind. (Mit freundlicher Genehmigung von Yuzhu Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse und Zhejiang Lab)

Neue Radiobeobachtungen ergaben, dass der relativistische Jet, der vom Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie Messier 87 (M87) ausgeht, wackelt, während er vom rotierenden Schwarzen Loch herumgezogen wird. Dies ist der erste direkte Beweis dafür, dass leistungsstarke Jets aus aktiven Galaxien von Schwarzen Löchern angetrieben werden, die schnell und nicht langsam rotieren.

M87 ist die riesige elliptische Galaxie im Herzen des Virgo-Galaxienhaufens, 55 Millionen Lichtjahre entfernt. Es ist berühmt dafür, das erste supermassereiche Schwarze Loch zu beherbergen, das seinen „Schatten“ hatte. abgebildet vom Event Horizon Telescope, im Jahr 2019. M87 erzeugt außerdem einen mächtigen Strahl geladener Teilchen, der sich mindestens 5000 Lichtjahre vom Schwarzen Loch entfernt erstreckt. Dieser Jet ist so groß und hell, dass er sogar auf Bildern sichtbar ist, die Amateurastronomen mit Gartengeräten aufgenommen haben.

Obwohl M87 die erste Galaxie war, bei der vor über einem Jahrhundert festgestellt wurde, dass sie einen relativistischen Jet beherbergte, weiß man heute, dass Tausende von Galaxien und Quasaren über Jets verfügen. Das Material in solchen Jets wird durch Magnetfelder aus einer Akkretionsscheibe aus Material, die sich spiralförmig um das Schwarze Loch dreht, herausgespült. Die Theorie ging davon aus, dass die Energie für den Jet aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs gewonnen wird.

Jetzt hat ein internationales Team von Astronomen – unter der Leitung von Yuzhu Cui vom Zhejiang-Labor in Hangzhou, China, und Kazuhiro Hada der japanischen Graduiertenuniversität für fortgeschrittene Studien und des Nationalen Astronomischen Observatoriums Japans – hat die ersten Beobachtungen gemacht, die diese Theorie direkt stützen, und die Ergebnisse in veröffentlicht Natur.

„Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen aus dieser Studie ist, dass ein rotierendes Schwarzes Loch wesentlich ist, um einen starken relativistischen Jet zu erzeugen, wie er in M87 und anderen Radiogalaxien oder Quasaren zu sehen ist“, erklärt Hada Physik-Welt.

„Wenn sich das Ergebnis bestätigt, wäre das wirklich ein riesiger Sprung in unserem Verständnis von Jets“, fügt er hinzu Yannis Liodakis von der Universität Turku in Finnland, der nicht an der Studie beteiligt war. Im Jahr 2022 war Liodakis der Hauptautor von a Papier in Natur Dabei wurden Schockfronten und Turbulenzen im Jet von M87 festgestellt.

Kreisel

Kombiniert radioastronomische Beobachtungen aus 17 Jahren Ostasiatisches VLBI-Netzwerk (EAVN), die Sehr langes Baseline-Array (VLBA), der gemeinsame Verbund von KVN und VERA (KaVA) und das Nahezu globales (EATING) VLBI-Netzwerk von Ostasien nach ItalienMit insgesamt mehr als 20 Radioteleskopen entdeckten Hada und das Team, dass der Strahl von M87 präzediert.

Stellen Sie sich einen Kreisel vor und wie seine Rotationsachse im Kreis zu wandern scheint. Der Jet in M87 verläuft senkrecht zur Akkretionsscheibe, aber sowohl Jet als auch Scheibe sind in Bezug auf die Rotationsachse des Schwarzen Lochs falsch ausgerichtet. Während sich das Schwarze Loch dreht, zieht es die Raumzeit mit sich – ein Effekt, der als „Frame-Dragging“ bekannt ist. Dabei zieht es die Akkretionsscheibe herum, wodurch die Richtung, in die der außeraxiale Strahl zeigt, über einen Zeitraum von etwa 10 Jahren um etwa 11 Grad präzediert oder wackelt.

Im Jahr 1973 stellte der Physiker John Wheeler bekanntlich sein No-Hair-Theorem auf – dass ein Schwarzes Loch durch nur drei Parameter vollständig charakterisiert werden kann: seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls (das „Haar“ ist eine Metapher für alles andere – Alle anderen Informationen gelangen in das Schwarze Loch und werden unzugänglich. Die Masse des supermassiven Schwarzen Lochs M87 beträgt etwa das 6.5-Milliarden-fache der Masse unserer Sonne, und seine elektrische Ladung gilt als vernachlässigbar. Trotz dieser Messung der Präzession des Jets, während er vom rotierenden Schwarzen Loch herumgeschleppt wird, ist es jedoch noch nicht möglich, eine Rate für diese Drehung zu definieren.

Spinrate eines Schwarzen Lochs

Man könnte jedoch vermuten, dass Schwarze Löcher mit starken Jets sich schnell drehen, während Schwarze Löcher ohne Jets tendenziell langsamer rotieren.

„Die Jet-Präzessionsperiode hängt sowohl vom Spin des Schwarzen Lochs als auch von der Größe der Akkretionsscheibe ab“, sagt Hada. Leider ist die Größe der M87-Scheibe nicht genau bekannt. In ihrer theoretischen Modellierung ging das Team von 40 Rotationen pro Jahr aus, aber das ist nur eine mögliche Lösung – unterschiedliche Spinwerte bei unterschiedlichen Scheibengrößen könnten auch den Grad der Präzession erklären.

„Dennoch ist es sehr wahrscheinlich, dass die Rotationszeitskala des Schwarzen Lochs viel kürzer ist als die der Jet- und Scheibenpräzession“, sagt Hada. „Die Messung des Werts dieser Drehung ist genau unser nächster Schritt. Hoffentlich wird dies durch die Kombination unserer Jet-Überwachung und eines Schwarzlochfilms vom Event Horizon Telescope möglich sein.“

Liodakis weist darauf hin, wie wichtig es ist zu wissen, dass schnell rotierende Schwarze Löcher Jets antreiben, da dies den Astronomen dabei hilft, die Größe der Akkretionsscheibe im Zentrum einer Galaxie wie M87 und die Zusammensetzung solcher Jets einzuschränken.

„Das ist kein unerwartetes Ergebnis“, sagt Liodakis. „Aber es ist auf jeden Fall toll, eine direkte Bestätigung zu haben.“

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