Die Erde und die Sonne werden sich drehen, und die Milchstraße wird sich drehen. Werden sich Schwarze Löcher also drehen? Dieses Problem, das Physiker seit mehr als 50 Jahren beschäftigt, wurde kürzlich von einem internationalen Kooperationsteam unter der Leitung einer Gruppe chinesischer Wissenschaftler gelöst. Sie berechneten nicht nur, dass die Präzessionsperiode der Jets der M87-Galaxie etwa 11 Jahre beträgt, und widerlegten damit den bisherigen Eindruck, dass die Richtung der Jets der M87-Galaxie unverändert sei, sondern erhielten auch den stärksten Beweis für die Drehung des Schwarzen Lochs.
Spät in der Nacht des 27. September veröffentlichte die internationale Top-Fachzeitschrift „Nature“ diese Blockbuster-Entdeckung online. In der Animationssimulation dreht sich das Schwarze Loch M87 wie ein Kreisel, der kurz vor dem Stillstand steht, schwingt und dreht sich im tiefen Universum. Obwohl dies alles nichts mit den aktuellen Grundbedürfnissen der Menschen zu tun zu haben scheint, erinnern sich die Menschen vielleicht an diesen Moment, wenn sie in Zukunft interstellare Reisen unternehmen.
Mehrere „abnormale“ Daten lösen Inspiration für Explorationen aus
Im riesigen Universum gibt es supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren aktiver Galaxien. Dieser mysteriöse Himmelskörper, den Einstein vor fast hundert Jahren vorhergesagt hatte, wurde 2019 erstmals als Silhouette fotografiert.
Masse und Spin sind die beiden Grundparameter eines Schwarzen Lochs. Derzeit gibt es ausgereifte Methoden zur Schätzung der Masse von Schwarzen Löchern, aber ob sich Schwarze Löcher drehen, ist immer noch ein Rätsel.
Im Jahr 1963 bewiesen Astronomen theoretisch die Existenz des Spins eines Schwarzen Lochs. Die Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2016 lieferte indirekte Beweise für den „Spin eines Schwarzen Lochs“ – wenn sich zwei Schwarze Löcher drehen und verschmelzen, ziehen sie den umgebenden Raum und die Zeit mit, was zu „Raum-Zeit-Wellen“ von Gravitationswellen führt.
Wie können wir also einen direkteren Beweis für den Spin eines Schwarzen Lochs erhalten? Als Cui Yuzhu, der am National Astronomical Observatory of Japan/Japan Graduate University promovierte, 2017 die Jet-Daten des East Asian Very Long Baseline Interference (VLBI)-Beobachtungsnetzwerks zum zentralen Schwarzen Loch der M87-Galaxie verarbeitete, entdeckte er, dass die Jet-Struktur von M87 im Jahr 2017 in eine andere Richtung zeigte als die vorherige Struktur.
▲M87-Jet-Struktur verschmolz alle zwei Jahre von 2013 bis 2020 (Beobachtungsfrequenzband ist 43 GHz). Das entsprechende Jahr wird in der oberen linken Ecke angezeigt. Die weißen Pfeile geben die Richtung der Strahlachse in jeder Unterfigur an (die verschiedene Strahlpositionswinkel darstellen). (YuzhuCuietal.2023)
Wenn das Material um das Schwarze Loch herum vom Schwarzen Loch angesaugt wird, strahlt es extrem helles Licht aus und sieht aus wie eine glänzende flache Scheibe, eine sogenannte Akkretionsscheibe. Nachdem Materie in das Schwarze Loch gesaugt wurde, wird der enorme Drehimpuls, den sie in sich trägt, schließlich in Form eines Strahls aus dem Schwarzen Loch ausgestoßen. Dadurch sehen Schwarze Löcher, Akkretionsscheiben und Jets wie riesige kosmische Kreisel aus.
„Der Schwarzloch-Jet von M87 ist sehr hell und 5.000 Lichtjahre lang. Früher dachten alle immer, sein Strahlwinkel sei konstant.“ Cui Yuzhu sagte, aber mehrere Daten zeigen, dass der Strahlwinkel tatsächlich anders ist als bisher bekannt.
„Ist das ein Beobachtungsfehler oder bedeutet das, dass der Jet rotiert?“ Mit dieser Frage befragte Cui Yuzhu etwa 170 Beobachtungsdaten des Schwarzen Lochs M87 aus dem internationalen VLBI-Beobachtungsnetzwerk von 2000 bis 2022 und stellte fest, dass sich sein Winkel tatsächlich ändert.
Infolgedessen arbeiteten mehr als 70 Kollegen aus 45 Institutionen in 10 Ländern weltweit mit Cui Yuzhu zusammen, um relevante Daten zu organisieren, zu analysieren und zu simulieren. Nach sechs Jahren harter Arbeit kamen sie schließlich zu dem Schluss, dass sich der M87-Jet in einem Zeitraum von etwa 11 Jahren um eine „unsichtbare Achse“ drehen sollte. Das Schwarze Loch im Zentrum von M87 sollte sich in einem Spinzustand befinden.
Lin Weikang, ein assoziierter Forscher am Südwestchinesischen Institut für Astronomie an der Yunnan-Universität, sagte, dass die periodischen Änderungen in der Richtung des Jets durch Computerdatenanpassung sehr gut mit der Drehachse des Schwarzen Lochs übereinstimmen. „Das beweist direkt die Existenz des Spins des Schwarzen Lochs.“
Jahrzehntelange VLBI-Beobachtungen haben zu einem Wissensschatz geführt
Im dem Menschen bekannten Universum ist M87 eine Sterngalaxie. Es ist groß und hat etwa die 6,5-Milliarden-fache Masse der Sonne; Es ist erdnah, nur 55 Millionen Lichtjahre entfernt, was es zu einem der besten Beobachtungsobjekte für Astronomen macht. Bereits 1918 entdeckten Menschen den Jet von M87 und waren damit der erste Himmelskörper im Universum, der einen Jet entdeckte.
Seitdem ist der M87-Jet zum Beobachtungsobjekt großer Radioteleskope auf der Erde geworden. Insbesondere nachdem das globale Netzwerk von Radioteleskopen das VLBI-Beobachtungsnetzwerk eingerichtet hat, hat sich die Genauigkeit der M87-Beobachtungsdaten weiter verbessert. Die in dieser Studie verwendeten Daten weisen die größte Zeitspanne und die größte Datenmenge im VLBI-Beobachtungsnetzwerk auf.
▲Verteilung der an diesem Artikel beteiligten Teleskope im EATING-Beobachtungsnetzwerk, bestehend aus dem ostasiatischen VLBI-Netzwerk und italienischen/russischen Radioteleskopen (YuzhuCuietal.2023, IntouchableLab@Openverse und Zhijiang Laboratory)
„Die dieses Mal entdeckten Schlüsseldaten profitierten hauptsächlich von der Genauigkeitsverbesserung des Ostasien-VLBI-Netzwerks, und das Tianma-Teleskop in Sheshan, Shanghai, und das 26-Meter-Radioteleskop in Nanshan, Xinjiang, steuerten die wichtigsten Daten bei.“ Cui Yuzhu sagte Reportern, dass insgesamt 26 inländische Kollegen an dieser Untersuchung teilgenommen hätten.
Bereits 1986 baute das Shanghai Observatory das Sheshan 25-Meter-Radioteleskop, wurde 1991 Konsortiumsmitglied des europäischen VLBI-Netzwerks und nahm 1998 an den Beobachtungen des internationalen VLBI-Netzwerks teil. 2017 wurde das 65-Meter-Tianma-Teleskop fertiggestellt und dem internationalen VLBI-Netzwerk beigetreten. Shen Zhiqiang, Direktor des Shanghai-Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Tianma-Teleskops die Beobachtungsfähigkeiten des gesamten Netzwerks verbessert wurden, „insbesondere die Bildqualität des ostasiatischen VLBI-Beobachtungsnetzwerks wurde um etwa 50 % verbessert.“
Das Nanshan-Teleskop des Xinjiang-Observatoriums hat aufgrund seiner einzigartigen geografischen Lage den Netzwerkdurchmesser des East Asia VLBI Observation Network von 3.000 Kilometern auf 5.000 Kilometer erweitert. Cui Lang, ein Forscher am Xinjiang-Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass dieses Radioteleskop mit 26 Metern Durchmesser 2017 dem East Asia VLBI-Netzwerk beigetreten sei und jedes Jahr 300 Stunden für relevante Beobachtungen aufgewendet habe.
Erst vor zwei Wochen begann der Bau des 40-Meter-Radioteleskops Xigaze des Shanghai-Observatoriums, und auch das 110-Meter-Radioteleskop Qitai des Xinjiang-Observatoriums befindet sich im Bau. Shen Zhiqiang sagte: „In Zukunft wird die Hinzufügung dieser aufgehenden Sterne die Beobachtungsmöglichkeiten weiter verbessern und Astronomen dabei helfen, weitere Geheimnisse des Universums zu entdecken.“
Dies eröffnet einen neuen Meilenstein in der eingehenden Erforschung des Spins von Schwarzen Löchern
In der Vergangenheit haben die ganzjährigen Beobachtungen des M87-Jets durch das U.S. Very Long Baseline Array (VLBA) dazu beigetragen, viele der physikalischen Eigenschaften von M87 zu verstehen. Sie dachten, sie wüssten genug über M87, also brachen sie die Beobachtungszeit nach und nach ab und wandten sich anderen Beobachtungszielen zu. Die Entdeckung chinesischer Wissenschaftler hat sie dazu veranlasst, ihren langfristigen Überwachungsplan für den M87-Jet wieder aufzunehmen.
Unter der Annahme, dass die Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs M87 in der Simulationsanimation senkrecht zum Boden verläuft, ähnelt seine Akkretionsscheibe einem Kreisel, der einen bestimmten Winkel mit dem Boden bildet, und die Achse des zitternden Kreisels ist ein Jet mit einer Länge von 5.000 Lichtjahren. Anders als bei einem Gyroskop ist das Bewegungszentrum einer Akkretionsscheibe jedoch das Schwarze Loch in ihrem Zentrum.
„Das ist ein sehr schönes und sauberes Ergebnis, und es ist auch eine sehr grundlegende und wichtige Entdeckung.“ Lai Dong, Professor an der Cornell University in den Vereinigten Staaten und Tsung-Dao-Gastprofessor am Tsung-Dao Lee Institute der Shanghai Jiao Tong University, erwähnte, dass sowohl Italien als auch die Vereinigten Staaten Satelliten gestartet haben, um gezielt den Raum-Zeit-Widerstandseffekt von Himmelskörpern zu erfassen, aber sie waren erfolglos. „Dieser Beweis für die Existenz des Spins eines Schwarzen Lochs wird der Erforschung dieses Effekts erhebliche Impulse verleihen.“
Heute ist Cui Yuzhu Postdoktorand am Zhijiang Laboratory. Sie sagte, dass es nach dem Erhalt der überzeugendsten Beweise für den Spin des Schwarzen Lochs immer noch eine Reihe von Fragen gebe, die eingehender untersucht werden müssten: Wie hoch sei die Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs M87? Ist der Spin eines Schwarzen Lochs universell? Woher kommt die äußere Kraft, die den Spin des Schwarzen Lochs antreibt? Darüber hinaus dürfte der Spin der Schlüssel zur Entstehung von Jets aus Schwarzen Löchern sein. Wird dies also eine neue Perspektive für die Untersuchung des Mechanismus von Jets aus Schwarzer Lochmaterie eröffnen? All dies wartet darauf, dass sie und viele Kollegen Antworten finden.