Forscher nutzten zwei Jahrzehnte an Daten von Radioteleskopen auf der ganzen Welt, um die Drehung der M87-Galaxie zu bestätigen, indem sie das Wackeln ihres supermassereichen Schwarzloch-Jets beobachteten. Diese Entdeckung stellt einen großen Fortschritt in der Erforschung Schwarzer Löcher dar. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der M87-Galaxie, berühmt für das erste Foto des Schattens eines Schwarzen Lochs, hat eine weitere Premiere geschaffen: Es wurde gezeigt, dass der vom Schwarzen Loch emittierte Strahl oszilliert, was direkt beweist, dass das Schwarze Loch rotiert.

Schematische Darstellung des geneigten Akkretionsscheibenmodells. In diesem Diagramm wird davon ausgegangen, dass die Drehachse des Schwarzen Lochs gerade nach oben und unten verläuft. Die Strahlrichtung verläuft nahezu senkrecht zur Scheibenebene. Die Fehlausrichtung zwischen der Drehachse des Schwarzen Lochs und der Rotationsachse der Scheibe löst eine Vorwärtsneigung der Scheibe und der Jets aus. Quelle: Cui Yuzhu et al. (2023), IntouchableLab@Openverse und Zhijiang Laboratory

Supermassereiche Schwarze Löcher sind Monster, die milliardenfach schwerer sind als die Sonne, die alles um sich herum verschlingen, einschließlich Licht, und schwer zu untersuchen sind, da keine Informationen aus dem Inneren entweichen können. Theoretisch gibt es nur sehr wenige Eigenschaften, die wir messen können. Eine Eigenschaft, die beobachtet werden kann, ist der Spin. Aufgrund der damit verbundenen Schwierigkeiten wurden jedoch keine direkten Beobachtungen des Spins eines Schwarzen Lochs durchgeführt.

Zwanzig Jahre Beobachtung bringen Beweise ans Licht

Um nach Hinweisen auf den Spin eines Schwarzen Lochs zu suchen, analysierte ein internationales Team Beobachtungen der M87-Galaxie aus mehr als zwei Jahrzehnten. Diese Galaxie liegt 55 Millionen Lichtjahre entfernt in Richtung Jungfrau. Es enthält ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die 6,5 Milliarden Mal größer als die Sonne ist. Das erste Schattenbild eines Schwarzen Lochs, das 2019 vom Event Horizon Telescope (EHT) aufgenommen wurde, ist ebenfalls dieses Schwarze Loch. Wie wir alle wissen, verfügt das supermassereiche Schwarze Loch in M87 über eine Akkretionsscheibe und einen Jet. Ersteres schickt Materie in das Schwarze Loch und Letzteres schleudert Materie aus der Umgebung des Schwarzen Lochs mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit aus.

(Oben) M87-Jet-Struktur mit einer Frequenz von 43 GHz, durchschnittlich alle zwei Jahre zwischen 2013 und 2018. Das entsprechende Jahr ist in der oberen linken Ecke markiert. Weiße Pfeile geben den Strahlpositionswinkel in jeder Unterfigur an. (Unten) Beobachtete Entwicklung der Strahlrichtung von 2000 bis 2022. Die grünen und blauen Punkte stammen aus Beobachtungsdaten bei 22 bzw. 43 GHz. Die rote Linie ist die am besten passende Sinuskurve mit einer Periode von 11 Jahren. Quelle: YuzhuCui et al. (2023)

Das Forschungsteam analysierte 170 Zeiträume von Daten, die vom East Asia VLBI Network (EAVN), dem Very Long Baseline Array (VLBA), dem KVN and VERA Combined Array (KaVA) und dem East Asia to Italy Near World (EATING) VLBI-Netzwerk gesammelt wurden. Mehr als 20 Radioteleskope auf der ganzen Welt trugen zu der Forschung bei.

Forschungsergebnisse und Bedeutung

Die Ergebnisse zeigen, dass Gravitationswechselwirkungen zwischen der Akkretionsscheibe und der Drehung des Schwarzen Lochs dazu führen, dass die Basis des Jets wackelt oder nach vorne kippt, ganz ähnlich wie Gravitationswechselwirkungen innerhalb des Sonnensystems dazu führen, dass die Erde nach vorne kippt. Dem Team gelang es, die Dynamik des Jets mit dem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch in Verbindung zu bringen und damit den direkten Beweis dafür zu liefern, dass sich das Schwarze Loch tatsächlich dreht. Die Richtungsänderung des Jets beträgt etwa 10 Grad und die Vorwärtsschubperiode beträgt 11 Jahre, was mit der theoretischen Supercomputersimulation des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) ATERUIII übereinstimmt.

„Wir freuen uns über diese bedeutende Entdeckung“, sagte Cui Yuzhu, der Erstautor der Studie. Cui Yuzhu war Doktorand am Nationalen Astronomischen Observatorium Japans und arbeitete später als Postdoktorand am Zhejiang-Labor. Da die Fehlausrichtung zwischen dem Schwarzen Loch und der Sternscheibe relativ gering ist und der proaktive Zeitraum etwa 11 Jahre beträgt, sind die Sammlung hochauflösender Daten zur Verfolgung der Struktur von M87 über mehr als zwei Jahrzehnte und die Durchführung eingehender Analysen der Schlüssel zum Erreichen dieses Ergebnisses. "

Dr. Kazuhiro Hada vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans erklärte: „Nachdem das Schwarze Loch in dieser Galaxie mit dem EHT erfolgreich abgebildet wurde, war die Frage, ob dieses Schwarze Loch rotiert, das Hauptaugenmerk der Wissenschaftler. Jetzt ist die Erwartung sicher geworden. Dieses riesige Schwarze Loch rotiert tatsächlich.“

Dr. Motoki Kino von der Kogakuin-Universität, Koordinator der Active Galactic Nucleus Science Working Group des East Asian VLBI Network, sagte: „Dies ist ein aufregender wissenschaftlicher Meilenstein, der endlich durch jahrelange gemeinsame Beobachtungen durch ein internationales Team von Forschern aus 45 Institutionen auf der ganzen Welt enthüllt wurde. Unsere Beobachtungsdaten stimmen gut mit einfachen Sinuskurven überein und bringen neue Fortschritte für unser Verständnis von Schwarzen Löchern und Jet-Systemen.“