Einsteins Wendung: Astrophysiker aus Princeton enthüllen das Geheimnis der Jets von Schwarzen Löchern und galaktischen „Lichtschwertern“

von Tatsuya Nakamura
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Black Hole Energy Dynamics

Astrophysiker aus Princeton enthüllen das von Einstein erforschte Rätsel der Jets schwarzer Löcher und galaktischer „Lichtschwerter“.

Forscher der Princeton University haben eine bahnbrechende Entdeckung im Zusammenhang mit dem Schwarzen Loch M87* gemacht und Licht auf seine faszinierende Energiedynamik und ihre Rolle bei der Bildung kolossaler Jets geworfen. Diese Entdeckung, die fest in Einsteins Relativitätstheorie verwurzelt ist, stellt die herkömmliche Meinung über Schwarze Löcher in Frage und bietet eine spannende Perspektive für weitere Untersuchungen mit fortschrittlichen Teleskoptechnologien. Während diese Studie neue Einblicke in die Mechanik von Schwarzen Löchern liefert, reicht sie nicht aus, um die Quelle der immensen Kraft der Jets endgültig aufzuklären.

Einer der am weitesten verbreiteten Glaubenssätze über Schwarze Löcher ist ihr unersättlicher Appetit, der alles verschlingt, was zu nahe kommt.

Allerdings scheint es Ausnahmen von dieser Regel zu geben.

Eliot Quataert, Astrophysiker in Princeton und Charles A. Young-Professor für Astronomie in der Class of 1897 Foundation, erklärt: „Obwohl sie als Himmelsobjekte definiert werden, denen nichts entkommen kann, ist dies eine der erstaunlichen Vorhersagen von Einsteins Relativitätstheorie Schwarze Löcher können tatsächlich Energie verlieren. Ähnlich wie ein Kreisel allmählich abbremst und seine Rotationsenergie abgibt, kann auch ein rotierendes Schwarzes Loch Energie an seine Umgebung abgeben.“

Dieser konzeptionelle Rahmen wird seit den 1970er Jahren von Wissenschaftlern weitgehend übernommen. Es wird davon ausgegangen, dass Magnetfelder wahrscheinlich dafür verantwortlich sind, Energie aus rotierenden Schwarzen Löchern abzusaugen, obwohl der genaue Mechanismus weiterhin ein Rätsel ist.

In einem endgültigen Durchbruch hat ein Team von Astrophysikern aus Princeton nun bestätigt, dass Energie in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs M87* tatsächlich nach außen ausgestoßen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Annahmen, dass Energie nach innen fließt. (Die Bezeichnung M87* entspricht dem Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie Messier 87, allgemein bekannt als M87.) Darüber hinaus haben diese Forscher eine Methode entwickelt, um die Annahme empirisch zu überprüfen, dass Schwarze Löcher einen Rotationsenergieverlust erleiden, ein Phänomen, das direkt dafür verantwortlich ist für die Schaffung der beeindruckenden Ausflüsse, die umgangssprachlich als „Jets“ bezeichnet werden.

Nach den Worten des ehemaligen Princeton-Postdoktoranden Alexandru Lupsasca ähneln diese Energieaustrittsstrahlen „Jedi-Lichtschwertern mit einer Länge von einer Million Lichtjahren“ und können eine erstaunliche zehnfache Länge unserer Milchstraßengalaxie erreichen.

Ihre bahnbrechenden Erkenntnisse wurden im Astrophysical Journal veröffentlicht, wobei Andrew Chael als Erstautor des Artikels fungierte. Chael und sein Co-Autor George Wong sind beide Mitglieder des Event Horizon Telescope-Teams und haben eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Modellen gespielt, die für die Interpretation von Schwarzlochphänomenen entscheidend sind. Chael, Wong, Lupsasca und Quataert sind allesamt theoretische Wissenschaftler, die der Princeton Gravity Initiative angeschlossen sind.

Chaels zentrale Erkenntnis im Kern dieser Studie war, dass die spiralförmige Richtung magnetischer Feldlinien die Ausrichtung des Energieflusses offenbart. Diese Entdeckung diente als Dreh- und Angelpunkt für die Forschung des Teams.

M87* erregte weltweite Aufmerksamkeit, als es erstmals vom Event Horizon Telescope beobachtet wurde. Astrophysiker aus Princeton enthüllten anschließend, dass das verdrehte Magnetfeld, das ein Schwarzes Loch umgibt, die charakteristische Polarisationsspirale bestimmt, die in Bildern von Schwarzen Löchern beobachtet wird. Insbesondere die Richtung der Energieübertragung – ob sie vom Schwarzen Loch ausgeht oder auf dieses gerichtet ist – bestimmt die Art der Polarisationsdrehung. Durch die Untersuchung der Ausrichtung der Spirale kann man ableiten, ob das Magnetfeld dem Schwarzen Loch Spinenergie entzieht oder ihm Spinenergie injiziert.

George Wong, ein assoziierter Forschungswissenschaftler der Princeton Gravity Initiative und des Institute for Advanced Study, veranschaulicht das Ausmaß dieses Energietransfers anschaulich und vergleicht ihn mit „wenn man die Erde nehmen, alles in TNT verwandeln und es 1.000 Mal zur Detonation bringen würde.“ eine Sekunde für Millionen und Abermillionen von Jahren.“

Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass ein Schwarzes Loch, wenn es zu rotieren beginnt, einen Rotationseinfluss auf das es umgebende Raumzeitgefüge ausübt. Auch magnetische Feldlinien, die mit dem Schwarzen Loch verflochten sind, werden mitgerissen, was zur Verlangsamung seiner Rotation und damit zur Energiefreisetzung beiträgt.

Lupsasca, der jetzt als Assistenzprofessor für Physik und Mathematik an der Vanderbilt University tätig ist und für seine Forschung zu Schwarzen Löchern den New Horizons in Physics Prize 2024 der Breakthrough Prize Foundation erhielt, weist auf den revolutionären Charakter ihrer Entdeckung hin. Er behauptet: „Unsere neue, präzise Vorhersage geht davon aus, dass es immer dann, wenn man ein astrophysikalisches Schwarzes Loch untersucht, das mit magnetischen Feldlinien verflochten ist, zu einem erheblichen Energietransfer kommt – von wahrhaft astronomischen Ausmaßen.“

Während ihre Studie den nach außen gerichteten Energiefluss in der Nähe des Ereignishorizonts von M87* eindeutig belegt, erkennen die Forscher die theoretische Möglichkeit eines nach innen gerichteten Energieflusses in verschiedenen Schwarzen Löchern an. Ihr Vertrauen in den Zusammenhang zwischen Energiefluss und der Ausrichtung magnetischer Feldlinien wird bald mit dem hypothetischen Event Horizon Telescope der „nächsten Generation“ auf die Probe gestellt.

In den letzten anderthalb Jahren hat die globale Gemeinschaft der Schwarzlochforscher aktiv Spezifikationen für dieses zukünftige Instrument vorgeschlagen. George Wong geht davon aus: „Papiere wie unsere können eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung dieser Spezifikationen spielen. Es ist eine außerordentlich aufregende Ära.“

Es ist erwähnenswert, dass die Forscher, obwohl ihr Modell die Annahme, dass der Spin des Schwarzen Lochs den extragalaktischen Jet antreibt, stark unterstützt, keine definitive Behauptung aufstellen. Die von ihrem Modell offenbarten Energieniveaus stimmen mit dem Energiebedarf der beobachteten Jets überein, sie räumen jedoch die Möglichkeit ein, dass der Jet durch rotierendes Plasma außerhalb des Schwarzen Lochs angetrieben werden könnte. Wie Lupsasca es ausdrückt: „Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass das Schwarze Loch den Jet antreibt, aber wir können zum jetzigen Zeitpunkt keinen unwiderlegbaren Beweis liefern.“

Referenz: „Black Hole Polarimetry I. A Signature of Electromagnetic Energy Extraction“ von Andrew Chael, Alexandru Lupsasca, George N. Wong und Eliot Quataert, 14. November 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acf92d

Diese Forschung erhielt Unterstützung von der Princeton Gravity Initiative, dem Taplin Fellowship, der National Science Foundation (Zuschuss 2307888) und einem Simons Foundation Investigator Award.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Energiedynamik von Schwarzen Löchern

Was haben die Astrophysiker aus Princeton über Schwarze Löcher herausgefunden?

Die Astrophysiker aus Princeton entdeckten, dass Energie in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs M87* nach außen ausgestoßen wird, was die weit verbreitete Annahme, dass Energie nach innen fließt, in Frage stellt.

In welcher Beziehung steht diese Entdeckung zu Einsteins Relativitätstheorie?

Diese Entdeckung basiert auf Einsteins Relativitätstheorie, die vorhersagt, dass rotierende Schwarze Löcher Energie verlieren können, ähnlich wie ein Kreisel mit der Zeit langsamer wird.

Welche Auswirkungen hat dieser Befund auf die Erforschung von Schwarzen Löchern?

Dieser Befund eröffnet neue Wege zum Verständnis der Dynamik von Schwarzen Löchern und legt nahe, dass Schwarze Löcher Quellen unglaublich starker Ausflüsse sein können, die als „Jets“ bekannt sind.

Wie bestimmen die Forscher die Richtung des Energieflusses?

Die Richtung des Energieflusses wird durch die Analyse der spiralförmigen Ausrichtung der Magnetfeldlinien in der Nähe des Schwarzen Lochs bestimmt und liefert Erkenntnisse darüber, ob das Schwarze Loch Spinenergie extrahiert oder pumpt.

Könnte diese Entdeckung die Quelle der Kraft der beobachteten Jets erklären?

Während die Studie die Idee, dass der Spin des Schwarzen Lochs die extragalaktischen Jets antreibt, nachdrücklich unterstützt, stellen die Forscher keine endgültige Behauptung auf und lassen Raum für die Möglichkeit, dass rotierendes Plasma außerhalb des Schwarzen Lochs eine Rolle spielen könnte.

Wie wird diese Entdeckung weiter getestet?

Die Vorhersage, dass Schwarze Löcher durch Energieübertragung Rotationsenergie verlieren, wird mit dem Start des theoretischen Event Horizon Telescope der „nächsten Generation“ überprüft, das weitere Schwarze Löcher untersuchen wird.

Welche Auszeichnungen und Unterstützung erhielten die Forscher für ihre Arbeit?

Alexandru Lupsasca erhielt für seine Forschung zu Schwarzen Löchern den New Horizons in Physics Prize 2024 der Breakthrough Prize Foundation. Die Forschung erhielt Unterstützung von der Princeton Gravity Initiative, dem Taplin Fellowship, der National Science Foundation (Zuschuss 2307888) und einem Simons Foundation Investigator Award.

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