Es dreht sich: Erster Nachweis für die Rotation eines schwarzen Lochs gelungen

Schwarze Löcher sind ein Phänomen, das für uns nach wie vor ein Mysterium darstellt. Kein Wunder. Das erste Foto eines Schwarzen Loches entstand erst im Jahr 2019. Es handelte sich um ei Foto des supermasserreichen Schwarzen Lochs M87*. Nun gelang es Astronom:innen erstmals, anhand dieses Schwarzen Lochs eine Nachweis für die Rotation solcher massereichen Phänomene zu erbringen. Den Forscher:innen zufolge rotiert M87* um sich selbst und steht dabei etwas schräg zu seiner rotierenden Materiescheibe. Gelungen ist dieser Nachweis anhand von regelmäßigen Pendelbewegungen des Jets, der von dem Schwarzen Loch ausgeht.

Bild: Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Rätsel um Schwarze Löcher

Anhand der Aufnahme von M87* konnten Astronom:innen in den letzten Jahren weitere Details beobachten, darunter unter anderem den von Albert Einstein vorhergesagten Photonenrin sowie einen Jet aus Strahlung und Teilchen, der weit ins All hinausschießt.

Bisher ungeklärt war jedoch die Frage, ob massereiche Schwarze Löcher rotieren oder nicht. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie gibt hier keine Antwort, nach ihr wäre beides möglich. Bis vor kurzem war es noch nicht gelungen, diese Rotation Schwarzer Löcher durch direkte Beobachtungen zu beweisen oder zu widerlegen, da diese an sich unsichtbar sind und die Bewegung der um ihren Ereignishorizont rasenden Akkretionsscheibe es nahezu unmöglich macht, eine Eigendrehung direkt zu erkennen.

„Nach dem Erfolg mit dem ersten Foto war es daher für die Astronomen eine zentrale Frage, ob das Schwarze Loch M87* rotiert oder nicht„, so Kazuhiro Hada vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans. Es gibt jedoch die von theoretischen Modellen gestützte Hypothese, dass die Jets eines Schwarzen Lochs auf seine Rotation zurückzuführen sind, die die starken Magnetfelder der Akkretionsscheibe beschleunigt. Dies wiederum führt zu Spannungen, die sich in Form der Jets aus Teilchen und Energie entladen.

Und es dreht sich doch!

Ein internationales Team rund um Yuzhu Cui vom Zhejiang Laboratorium in Hangzhou wollte diese Hypothese überprüfen. Zu diesem Zweck haben sie M87* über einen Zeitraum von 22 Jahren überwacht. Dabei kamen mehr als 20 Radioteleskope zum Einsatz, die über die ganze Welt verteilt waren. Mit ihrer Hilfe konnten zum ersten Mal langfristige Veränderungen des Jets eines schwarzen Lochs analysiert werden.

Das Ergebnis: Im Laufe der Zeit ändert der Teilchen- und Strahlenkegel eines Schwarzen Loches seine Richtung: Er schwankt um etwa zehn Grad hin und her, wobei ein einzelner Pendelzyklus etwa 11,24 Jahre dauert. Diese Erkenntnis liefert Einblicke in die Vorgänge an der Basis des Jets sowie die Wechselwirkungen zwischen Akkretionsscheibe und Schwarzem Loch. Aus Sicht der Forscher:innen ist die Theorie zur Rotation als Motor für die Bildung des Jets damit bestätigt.

„Die Entdeckung dieser Jet-Präzession liefert den eindeutigen Beweis dafür, dass das supermassereiche Schwarze Loch M87* tatsächlich rotiert„, so das Team. Eine derartige Pendelbewegung des Jets wäre nur dann möglich, wenn das Schwarze Loch eine aktive Spinbewegung vollzieht. Genauere Berechnungen ergaben, dass die Rotationsachse des Schwarzen Lochs höchstwahrscheinlich leicht schräg zur Ebene der Materiescheibe positioniert ist. Diese beiden Ebenen drehen sich jeweils, sodass ihre Verkippung Kräfte erzeugt, die verantwortlich für die Schwankungen der Basis des Jets sind. „„Weil die Abweichung zwischen Schwarzem Loch und Scheibe nur relativ gering ist, waren hochauflösende Daten und Beobachtungen über zwei Jahrzehnte hinweg nötig, um sie zu zeigen„, erklärt Cui.

Sensationelle Erkenntnisse

Die Beobachtungen der Forscher:innen bestätigen somit, dass das Schwarze Loch M87* rotiert. Somit handelt es sich um die erste direkte Beobachtung einer derartigen Rotation. Ferner wird bestätigt, dass die Drehung aktiver Schwarzer Löcher das Verhalten ihrer Materiescheibe beeinflusst.

Allerdings bleiben auch weiter Fragen offen, etwa nach der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs oder nach der Unterstruktur der Akkretionsscheibe um den Ereignishorizont. Weitere Beobachtungen von M87 könnten diese Fragen jedoch klären.

via National Astronomical Observatory of Japan