Zusammenfassung:
Im Zentrum der Milchstraße verbirgt sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa dem Viermillionenfachen der Sonnenmasse – Sagittarius A*. Obwohl er etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und seine derzeitige Gesamtaktivität relativ ruhig ist, könnte er auf eine überraschende Art und Weise Energie freisetzen: Indem er seine eigene Rotationsenergie opfert, beschleunigt er umgebende Teilchen auf extrem hohe Energien und liefert Energie für einige kosmische Strahlen in der Milchstraße.
Am 17. Oktober 2026 berichtete SciTechDaily über eine neueste theoretische Studie zu diesem Mechanismus. Forscher schlagen vor, dass Sagittarius A* die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs durch einen Mechanismus namens „Magnetischer Penrose-Prozess“ auf Protonen übertragen könnte, wodurch diese Teilchen Energieniveaus von mehreren Petaelektronenvolt (PeV) erreichen könnten. Die Forschungsergebnisse stützen weiterhin die Hypothese, dass Sagittarius A* ein natürlicher ultrahochenergetischer Teilchenbeschleuniger in der Milchstraße sein könnte.
Die Studie wurde am 2. September 2026 als Vorabdruck mit dem Titel „Sagittarius A* as a Galactic Electron Voltaic Particle Accelerator: Multi-messenger Characteristics of the Magnetic Penrose Process“ veröffentlicht. Durch theoretische Modellierung analysierte das Forscherteam, wie Teilchen in der Nähe des Schwarzen Lochs extrem hohe Energie erlangen und welche Signale dieser Prozess hinterlassen könnte, die durch astronomische Beobachtungen identifiziert werden können. Derzeit handelt es sich hierbei noch um eine theoretische Erklärung, die durch Beobachtung überprüft werden muss, und sie bedeutet nicht, dass Wissenschaftler bestätigt haben, dass das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße die kosmische Strahlung auf diese Weise beschleunigt.
Kosmische Strahlung sind hochenergetische Teilchen, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit durch den Weltraum bewegen, darunter Protonen, Atomkerne und eine kleine Anzahl von Elektronen. Ihr Energiebereich ist extrem groß und einige kosmische Strahlen übertragen Energien, die weit über das hinausgehen, was Menschen mit bestehenden Teilchenbeschleunigern erreichen können. Wissenschaftler versuchen seit langem herauszufinden, woher diese Teilchen kommen und welchen Mechanismus die Natur nutzt, um sie auf solch erstaunliche Energien zu beschleunigen.
Auf der Erde nutzen Menschen große Teilchenbeschleuniger, um die Energie geladener Teilchen durch elektrische Felder schrittweise zu erhöhen. Aber im Universum könnten Supernova-Überreste, Pulsarwinde und extreme Umgebungen um Schwarze Löcher zu natürlichen Teilchenbeschleunigern werden. Das Zentrum der Milchstraße ist besonders besorgniserregend, da es supermassereiche Schwarze Löcher, große Mengen an Gas, starke Magnetfelder und eine komplexe Umgebung mit hochenergetischer Strahlung enthält.
Forscher schätzen, dass Protonen in der Nähe von Sagittarius A* auf Energien von mehreren Peta-Elektronenvolt beschleunigt werden könnten. Ein Peta-Elektronenvolt entspricht 1.000 Billionen Elektronenvolt oder 10¹⁵ Elektronenvolt. Dieses Energieniveau übersteigt bei weitem die Energie eines einzelnen Protons, das durch Protonenkollisionen im Large Hadron Collider erreicht wird. Wenn der entsprechende Mechanismus tatsächlich existiert, könnte Sagittarius A* daher zu einer der wichtigen Quellen hochenergetischer Teilchen in der Milchstraße werden.
Dieser Himmelskörpertyp, der Protonen auf das Energieniveau von Elektronenvolt beschleunigen kann, wird „PeVatron“ genannt und ist ein Teilchenbeschleuniger auf Elektronenvoltniveau. Astronomen haben hochenergetische Gammastrahlung im Zentrum der Milchstraße beobachtet, aber ob diese Strahlung von der Teilchenbeschleunigung in der Nähe des Schwarzen Lochs oder von der Wechselwirkung anderer Himmelskörper mit größerer kosmischer Strahlung stammt, ist immer noch umstritten.
Normalerweise stammt die helle Strahlung um ein Schwarzes Loch hauptsächlich von Material, das vor seinem Sturz in das Schwarze Loch gefallen ist. Das Gas sammelt, komprimiert und erwärmt sich unter der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs und bildet einen Hochtemperatur-Akkretionsfluss oder eine Akkretionsscheibe. Das Material setzt eine große Energiemenge frei, bevor es schließlich den Ereignishorizont überquert.
Aber Schwarze Löcher selbst schlucken nicht nur Energie. Bei rotierenden Schwarzen Löchern kann unter bestimmten Bedingungen auch die durch ihre Rotation mitgeführte Energie extrahiert werden. Es ist dieser Mechanismus, der die Rotationsenergie von Schwarzen Löchern direkt nutzt, auf den sich die Forscher dieses Mal konzentrieren.
Diese Theorie lässt sich auf den Penrose-Prozess zurückführen, der 1969 vom Physiker Roger Penrose vorgeschlagen wurde. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es um ein rotierendes Schwarzes Loch eine Region namens „Ergosphäre“. Dabei zieht die Rotation des Schwarzen Lochs die umgebende Raumzeit so stark in Mitleidenschaft, dass Objekte relativ zu einem entfernten Beobachter nicht stationär bleiben können, sondern sich in Richtung der Rotation des Schwarzen Lochs bewegen müssen.
Wenn Teilchen unter bestimmten Bedingungen in die Energieschicht eindringen und entsprechende Spaltungsprozesse durchlaufen, kann ein Teil von ihnen mit negativer, relativ zur Unendlichkeit definierter Energie in das Schwarze Loch fallen, während der andere Teil mit mehr Energie als die ursprünglichen Teilchen entkommen kann. Die zusätzliche Energie, die die austretenden Teilchen gewinnen, stammt aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs selbst.
Stellen Sie sich das so vor, als würde man einer schnell rotierenden Maschine mechanische Energie entziehen: Die austretenden Teilchen gewinnen zusätzliche Energie, während die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs entsprechend reduziert wird. Das hier erwähnte „Eigenenergie verbrauchen“ bedeutet nicht, dass das Schwarze Loch wie Treibstoff verbrennt, sondern dass seine Rotationsenergie auf externe Teilchen übertragen wird.
Die Forscher untersuchten außerdem die Rolle von Magnetfeldern in diesem Prozess. Der magnetische Penrose-Prozess nutzt das Magnetfeld um das Schwarze Loch, um die Bewegung und Energieverteilung geladener Teilchen zu verändern, sodass die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs effektiver auf geladene Teilchen wie Protonen übertragen werden kann.
In dem in dieser Studie vorgeschlagenen Modell beginnt der entscheidende Zusammenhang mit Kernreaktionen im heißen Gas, das das Schwarze Loch umgibt. Einige Kernreaktionen können Neutronen erzeugen. Nachdem diese Neutronen in die Energieschicht eines Schwarzen Lochs eingedrungen sind, können sie einem radioaktiven Zerfall unterliegen und dabei Protonen, Elektronen und Antineutrinos erzeugen.
Neutronen selbst sind ungeladen und werden daher nicht wie Protonen direkt von der Lorentzkraft eines Magnetfelds beeinflusst. Aber die Protonen, die nach dem Neutronenzerfall entstehen, sind elektrisch geladen und können mit dem umgebenden Magnetfeld interagieren. Forscher glauben, dass diese Protonen unter den richtigen Bedingungen Energie aus der Rotation des Schwarzen Lochs gewinnen und anschließend in den größeren interstellaren Raum entweichen könnten.
Für diesen Mechanismus ist keine extreme Aktivität des Schwarzen Lochs erforderlich. Die aktuelle Akkretionsaktivität von Sagittarius A* ist relativ schwach, aber er verfügt immer noch über eine große Masse und möglicherweise eine beträchtliche Rotationsenergie. Solange die Umgebung über das richtige Magnetfeld, die richtigen Partikelerzeugungsbedingungen und die richtige Geometrie verfügt, ist der Energiegewinnungsprozess möglich.
Ob das Modell jedoch auf das reale Zentrum der Milchstraße angewendet werden kann, hängt noch von einer Reihe von Parametern ab, die noch nicht vollständig bestimmt wurden, darunter die Stärke des Magnetfelds um das Schwarze Loch, die Teilchenproduktionsrate, der Rotationszustand des Schwarzen Lochs und die verschiedenen Verluste, die hochenergetische Teilchen bei ihrer Flucht erleiden.
Wenn hochenergetische Protonen aus der Umgebung eines Schwarzen Lochs entkommen, können sie bei ihrer Ausbreitung nach außen mit dem dichten Gas im Zentrum der Milchstraße kollidieren und dabei hochenergetische Gammastrahlen und Neutrinos erzeugen. Diese Sekundärteilchen bieten Wissenschaftlern eine wichtige Möglichkeit, Theorien zu testen.
Gammastrahlen sind extrem energiereiche elektromagnetische Strahlung, die ungeladen ist. Wenn sie den interstellaren Raum passieren, werden sie daher nicht drastisch durch Magnetfelder umgelenkt, wie geladene Teilchen in der kosmischen Strahlung. Ihre Ausbreitungsrichtung hilft Astronomen oft dabei, die Strahlung bis zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen. Im Gegensatz dazu werden Protonen in der kosmischen Strahlung von interstellaren Magnetfeldern beeinflusst und ihre Flugbahnen können erheblich gekrümmt sein, was es schwierig macht, direkt aus der Richtung, in der sie die Erde erreichen, zu bestimmen, wo sie ursprünglich beschleunigt wurden.
Das Forschungsteam berechnete das Gammastrahlen-Energiespektrum, das durch den magnetischen Penrose-Prozess erzeugt werden könnte, und verglich die Modellergebnisse mit bestehenden Beobachtungen. Die Forscher glauben, dass die durch diesen Mechanismus erzeugte Strahlung zu einigen Signalen bei hochenergetischen Gammastrahlenbeobachtungen beitragen könnte, einschließlich der Signale, die vom High-Energy Stereoscopic Telescope System H.E.S.S. erfasst wurden. und das High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory HAWC.
Wenn die von verschiedenen theoretischen Modellen vorhergesagten Merkmale des Energiespektrums genauer gemessen werden können, haben Forscher die Möglichkeit zu bestimmen, ob der Rotationsenergieextraktionsmechanismus des Schwarzen Lochs tatsächlich im Zentrum der Milchstraße am Werk ist.
Zukünftige Beobachtungsgeräte könnten der Schlüssel zur Überprüfung dieser Theorie sein. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass das geplante Southern Hemisphere Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) voraussichtlich die von seinem Modell vorhergesagten relevanten Signale erkennen wird, und dass das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) möglicherweise auch einige theoretische Szenarien testen wird.
SWGO plant den Einsatz eines großflächigen Detektionsarrays zur kontinuierlichen Überwachung energiereicher Gammastrahlen, das sich besonders für die Beobachtung wichtiger Himmelsbereiche wie dem Zentrum der Milchstraße eignet. Weitfeldinstrumente können Veränderungen der hochenergetischen Strahlung am Himmel über längere Zeiträume überwachen als Teleskope, die nur für eine begrenzte Zeit auf ein bestimmtes Ziel ausgerichtet werden können, und helfen Forschern dabei, laufende Teilchenbeschleunigungsprozesse zu untersuchen.
Die Entdeckung hochenergetischer Gammastrahlen allein reicht jedoch nicht aus, um die Existenz des magnetischen Penrose-Prozesses zu beweisen. Die Umgebung im Zentrum der Milchstraße ist äußerst komplex und enthält nicht nur supermassereiche Schwarze Löcher, sondern auch eine große Anzahl von Sternen, dichte Gaswolken, andere potenzielle Quellen hochenergetischer Teilchenbeschleunigung und ein breites Spektrum diffuser Strahlung. Verschiedene Mechanismen können ähnliche beobachtete Signale erzeugen.
Daher müssen Wissenschaftler Gammastrahlen mit anderen Arten von Beobachtungen kombinieren, insbesondere mit Neutrinosignalen. Wenn hochenergetische Protonen mit Gas kollidieren, erzeugen sie möglicherweise nicht nur Gammastrahlen, sondern auch Neutrinos. Neutrinos interagieren äußerst schwach mit Materie und können aus dichten Himmelsumgebungen entkommen, was Forschern einen weiteren Hinweis auf Teilchenbeschleunigungsprozesse liefert.
Aber derzeit haben Neutrino-Beobachtungen im Zentrum der Milchstraße keine ausreichenden Ergebnisse geliefert, um den relevanten Mechanismus zu bestimmen. Im September 2026 ergab eine vom IceCube Neutrino Observatory in Zusammenarbeit mit HAWC veröffentlichte Analyse kein signifikantes Neutrinosignal im Zentrum der Milchstraße und legte neue Grenzwerte für die Intensität der damit verbundenen Strahlung fest. Die Forscher wiesen darauf hin, dass in Zukunft empfindlichere Neutrino-Beobachtungsanlagen wie IceCube-Gen2, KM3NeT und P-ONE den Wissenschaftlern dabei helfen könnten, weiter zu bestimmen, ob die hochenergetischen Gammastrahlen im Zentrum der Milchstraße hauptsächlich aus der Wechselwirkung zwischen Protonen und Gas stammen.
Dieser Hintergrund zeigt auch, dass der Energiegewinnungsmechanismus des Schwarzen Lochs zwar eine klare theoretische Grundlage hat, jedoch noch umfangreichere und präzisere Daten erforderlich sind, um ihn mit tatsächlichen Beobachtungen zu verbinden. Forscher müssen andere mögliche Quellen hochenergetischer Strahlung ausschließen und überprüfen, ob die theoretisch vorhergesagten Spektralmerkmale tatsächlich existieren.
Die Bedeutung dieser Studie besteht darin, dass sie eine Erklärung für die Quelle hochenergetischer kosmischer Strahlung im Zentrum der Milchstraße liefert, die weiter getestet werden kann. Traditionell konzentrieren sich Wissenschaftler normalerweise darauf, wie Supernova-Explosionen, Stoßwellen und Magnetfelder die kosmische Strahlung beschleunigen. während der magnetische Penrose-Prozess ihre Aufmerksamkeit auf die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs selbst richtet, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch, selbst wenn es sich in einem relativ ruhigen Zustand befindet, durch spezielle physikalische Mechanismen Energie an externe Teilchen übertragen kann.
Wenn zukünftige Beobachtungen bestätigen, dass dieser Prozess tatsächlich stattfindet, wird Sagittarius A* nicht nur eine massive Gravitationsquelle im Zentrum der Milchstraße sein, sondern könnte auch eine wichtige Energiequelle sein, die die hochenergetische Teilchenumgebung der Milchstraße beeinflusst. Dies wird Wissenschaftlern auch dabei helfen, besser zu verstehen, wie supermassereiche Schwarze Löcher durch Energiefreisetzung das umgebende Gas, die Strahlungsumgebung und die Entwicklung der gesamten Zentralregion der Galaxie beeinflussen.
Derzeit handelt es sich bei dem, was Forscher vorgeschlagen haben, noch um ein theoretisches Modell und nicht um einen direkt bestätigten Prozess zur Energieextraktion eines Schwarzen Lochs. Zukünftige Beobachtungsergebnisse von SWGO, CTAO und Neutrino-Beobachtungsgeräten der neuen Generation werden dabei helfen, festzustellen, ob diese Vorhersagen mit der Leistung des realen Universums übereinstimmen. Für den Menschen birgt das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße immer noch viele Geheimnisse, und die kosmische Strahlung könnte wichtige Hinweise darauf liefern, wie seine Energie funktioniert.
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