Warp Speed Ahead: Wie das Schwarze Loch unserer Galaxie den Raum krümmt

Diese künstlerische Darstellung zeigt einen Querschnitt des supermassiven Schwarzen Lochs und des umgebenden Materials im Zentrum unserer Galaxie. Die schwarze Kugel in der Mitte repräsentiert den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs, den Punkt des "Point of no Return", von dem nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Wenn man das sich drehende Schwarze Loch von der Seite betrachtet, wie es in dieser Darstellung dargestellt ist, ist der umgebende Raum wie ein American Football geformt. Das gelb-orange Material auf beiden Seiten stellt Gas dar, das um das Schwarze Loch herumwirbelt. Dieses Material stürzt unweigerlich auf das Schwarze Loch zu und überquert den Ereignishorizont, sobald es innerhalb der Football-Form fällt. Der Bereich innerhalb der Football-Form, aber außerhalb des Ereignishorizonts, wird daher als Hohlraum dargestellt. Die blauen Klumpen zeigen Jets, die von den Polen des sich drehenden Schwarzen Lochs wegfeuern. Anerkennung: NASA/CXC/M.Weiss

Sagittarius A*, das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, dreht sich mit einer Geschwindigkeit, die den umgebenden Raum verzieht, galaktische Dynamik beeinflusst und möglicherweise zukünftige Sternenbildung beeinflusst.

Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße dreht sich so schnell, dass es den umgebenden Raum in eine Form verzieht, die einem Football ähneln kann, wie eine neue Studie zeigt, die Daten des NASA Chandra Röntgenobservatoriums und des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der National Science Foundation verwendet.

Astronomen nennen dieses riesige Schwarze Loch Sagittarius A* (kurz Sgr A*), das etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Zentrum unserer Galaxie liegt.

Schwarze Löcher haben zwei grundlegende Eigenschaften: ihre Masse (wie viel sie wiegen) und ihre Rotation (wie schnell sie sich drehen). Die Bestimmung eines dieser beiden Werte sagt Wissenschaftlern viel über jedes Schwarze Loch aus und wie es sich verhält.

Ein Team von Forschern hat eine neue Methode angewendet, die Daten aus Röntgen- und Radiobeobachtungen verwendet, um die Drehgeschwindigkeit von Sgr A* basierend auf der Bewegung von Material zu bestimmen, das auf das Schwarze Loch zuströmt und sich davon entfernt. Sie fanden heraus, dass Sgr A* mit einer Winkelgeschwindigkeit — der Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde — rotiert, die etwa 60% des maximal möglichen Werts beträgt, einem Limit, das durch die Tatsache gesetzt wird, dass Material nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann.

In der Vergangenheit haben verschiedene Astronomen mehrere Schätzungen der Rotationsgeschwindigkeit von Sgr A* unter Verwendung verschiedener Techniken erstellt, wobei die Ergebnisse von Sgr A* ohne Rotation bis hin zu einer fast maximalen Drehgeschwindigkeit reichen.

“Unsere Arbeit könnte die Frage klären, wie schnell das supermassive Schwarze Loch unserer Galaxie rotiert”, sagte Ruth Daly von der Penn State University, die die Hauptautorin der neuen Studie ist. “Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Sgr A* sehr schnell rotiert, was interessant ist und weitreichende Auswirkungen hat.”

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

Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht "Raum-Zeit" (die Kombination aus Zeit und den drei Dimensionen des Raums) und nahegelegene Materie herum, während es sich dreht. Der Raum-Zeit um das sich drehende Schwarze Loch wird ebenfalls zusammengedrückt. Wenn man von oben auf ein schwarzes Loch schaut, entlang des Laufs eines jeden Jets, den es produziert, hat der Raum die Form eines Kreises. Wenn man das sich drehende Schwarze Loch jedoch von der Seite betrachtet, hat der Raum die Form eines Footballs. Je schneller die Rotation, desto flacher der Football.

Die Rotation eines Schwarzen Lochs kann eine wichtige Energiequelle sein. Rotierende supermassive Schwarze Löcher können kollimierte Ausflüsse erzeugen, das heißt schmale Strahlen von Material wie Jets, wenn ihre Rotationsenergie extrahiert wird, was voraussetzt, dass sich zumindest etwas Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs befindet. Aufgrund des begrenzten Brennstoffs um Sgr A* war dieses Schwarze Loch in den letzten Jahrtausenden relativ ruhig mit relativ schwachen Jets. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass sich dies ändern könnte, wenn die Menge an Material in der Nähe von Sgr A* zunimmt.

“Ein rotierendes Schwarzes Loch ist wie eine Rakete auf dem Startplatz”, sagte Biny Sebastian, ein Mitautor von der University of Manitoba in Winnipeg, Kanada. “Sobald das Material nah genug kommt, ist es so, als hätte jemand die Rakete betankt und den Knopf ‘Start’ gedrückt.”

Dies bedeutet, dass in Zukunft, wenn sich die Eigenschaften der Materie und die Stärke des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs ändern, ein Teil der enormen Energie der Rotation des Schwarzen Lochs stärkere Ausflüsse antreiben könnte. Dieses Ausgangsmaterial könnte aus Gas stammen oder aus den Überresten eines von der Gravitation des Schwarzen Lochs zerrissenen Sterns, wenn dieser Stern zu nahe an Sgr A* vorbeikommt.

“Jets powered and collimated by a galaxy’s spinning central black hole can profoundly affect the gas supply for an entire galaxy, which affects how quickly and even whether stars can form,” said co-author Megan Donahue from Michigan State University. “The ‘Fermi bubbles’ seen in X-rays and gamma rays around our Milky Way’s black hole show the black hole was probably active in the past. Measuring the spin of our black hole is an important test of this scenario.”

To determine the spin of Sgr A*, the authors used an empirically based theoretical method referred to as the “outflow method” that details the relationship between the spin of the black hole and its mass, the properties of the matter near the black hole, and the outflow properties. The collimated outflow produces the radio waves, while the disk of gas surrounding the black hole is responsible for the X-ray emission. Using this method, the researchers combined data from Chandra and the VLA with an independent estimate of the black hole’s mass from other telescopes to constrain the black hole’s spin.

“We have a special view of Sgr A* because it is the nearest supermassive black hole to us,” said co-author Anan Lu from McGill University in Montreal, Canada. “Although it’s quiet right now, our work shows that in the future it will give an incredibly powerful kick to surrounding matter. That might happen in a thousand or a million years, or it could happen in our lifetimes.”

The supermassive black hole in the center of the Milky Way is spinning so quickly that it is warping the spacetime surrounding it into a shape that can look like an American football. This result was made using data from NASA’s Chandra X-ray Observatory, an X-ray telescope in space, and the NSF’s Very Large Array, an array of radio telescopes in New Mexico. Credit: NASA/CXC/A. Hobart

The paper describing these results led by Ruth Daly is published in the January 2024 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Reference: “New black hole spin values for Sagittarius A* obtained with the outflow method” by Ruth A Daly, Megan Donahue, Christopher P O’Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard and Anan Lu, 21 October 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stad3228

In addition to those mentioned above, the authors are Christopher O’Dea (University of Manitoba), and Daryl Haggard (McGill University).

NASA’s Marshall Space Flight Center manages the Chandra program. The Smithsonian Astrophysical Observatory’s Chandra X-ray Center controls science operations from Cambridge, Massachusetts, and flight operations from Burlington, Massachusetts.