Das Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße ist ein unaufhaltsames kosmisches Feuerwerk mit verrückten Energieausbrüchen, die keinen Regeln zu folgen scheinen. Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop beobachteten Wissenschaftler ununterbrochene Ausbrüche, von denen einige nur wenige Sekunden und andere Monate andauerten. Warum? Magnetfelder sind chaotisch und Plasmen sind turbulent – ​​aber das eigentliche Rätsel ist, ob hinter diesen schillernden Phänomenen eine tiefere verborgene Ordnung steckt.

Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße bietet ein unvorhersehbares Schauspiel. Ein Team von Astrophysikern unter der Leitung der Northwestern University nutzte das James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, um die bisher detailliertesten und tiefgreifendsten Beobachtungen des mysteriösen Hohlraums im Zentrum der Milchstraße durchzuführen.

Ihre Beobachtungen zeigen, dass Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, ohne Unterbrechung Fackeln aussendet. Einige dieser Fackeln erscheinen als kurze, schwache Blitze, die nur wenige Sekunden dauern, während andere tägliche Ausbrüche intensiven Lichts sind. Selbst subtilere Veränderungen können Monate dauern. Diese unerbittliche Aktivität erstreckt sich über riesige Zeiträume, von schnellen Blitzen bis hin zu lang anhaltenden Ausbrüchen.

Astrophysiker der Northwestern University nutzten das James Webb-Weltraumteleskop der NASA, um die bisher längsten und detailliertesten Beobachtungen des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße durchzuführen. Sie fanden heraus, dass die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs ununterbrochen ständig Leuchtraketen aussendete. Dieses Video zeigt 2,1-Mikrometer-Daten, aufgenommen am 7. April 2024. Quelle: FarhadYusef-Zadeh/Northwestern University

Die Ergebnisse könnten entscheidende Einblicke in die Natur von Schwarzen Löchern, ihre Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung und die Kräfte liefern, die die Entwicklung der Milchstraße beeinflussen. Die Forschung wird heute (18. Februar) in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Farhad Yusef-Zadeh von der Northwestern University, der die Studie leitete, sagte: „Flares werden voraussichtlich in praktisch allen supermassiven Schwarzen Löchern auftreten, aber unseres ist einzigartig. Es ist kontinuierlich aktiv und scheint es nie zu sein. Es erreicht einen stabilen Zustand. Wir haben dieses Schwarze Loch in den Jahren 2023 und 2024 mehrmals beobachtet, und jedes Mal, wenn wir es beobachteten, sahen wir etwas anderes, was wirklich bemerkenswert ist.“

Yusef-Zadeh ist Experte für das galaktische Zentrum und Professor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University. Zu den Co-Autoren des internationalen Teams gehören Howard Bushouse vom Space Telescope Science Institute, Richard G. Arendt von der NASA, Mark Wardle von der Macquarie University in Australien, Joseph Michail von der Harvard University und dem Smithsonian College sowie Claire Chandler vom National Radio Astronomy Observatory.

Um die Studie durchzuführen, verwendeten Yusef-Zadeh und sein Team die Nahinfrarotkamera (NIRCam) von JWST, die zwei Infrarotfarben gleichzeitig über lange Zeiträume beobachten kann. Mit diesem Bildgebungstool beobachteten die Forscher Sagittarius A* bis zu 48 Stunden lang – gemessen in Schritten von 8 bis 10 Stunden über ein Jahr hinweg. Dadurch können Wissenschaftler verfolgen, wie sich das Schwarze Loch im Laufe der Zeit verändert.

Obwohl Yosef-Zadeh damit rechnete, einen Ausbruch zu sehen, war Schütze A* aktiver als erwartet. Einfach ausgedrückt: Beobachtungen zeigen, dass Feuerwerkskörper in Helligkeit und Dauer variieren. Die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch erzeugt fünf bis sechs große Flares pro Tag, durchsetzt mit mehreren kleineren sekundären Flares.

Obwohl Astrophysiker den Prozess nicht vollständig verstehen, vermutet Yusef-Zadeh, dass die kurzen Ausbrüche und längeren Flares durch zwei verschiedene Prozesse verursacht werden. Wäre die Akkretionsscheibe ein Fluss, dann wären die kurzen, schwachen Blitze wie kleine, zufällige Wellen auf der Flussoberfläche. Längere, hellere Flares hingegen ähneln eher Gezeiten und werden durch bedeutendere Ereignisse verursacht. Kleine Störungen innerhalb der Akkretionsscheibe können schwache Flimmern erzeugen. Konkret komprimieren turbulente Fluktuationen innerhalb der Akkretionsscheibe Plasma, ein heißes, elektrisch geladenes Gas, und verursachen kurze Strahlungsausbrüche. Yosef-Zadeh verglich das Phänomen mit einer Sonneneruption.

Er erklärte: „Dies ähnelt dem Prozess, bei dem sich das Magnetfeld der Sonne sammelt, komprimiert und dann in einer Sonneneruption ausbricht. Natürlich ist dieser Prozess heftiger, weil die Umgebung um das Schwarze Loch energiereicher und extremer ist. Allerdings ist die Sonnenoberfläche auch sehr aktiv.“

Yusef-Zadeh führt die großen, hellen Ausbrüche auf Ereignisse der magnetischen Wiederverbindung zurück – den Prozess, bei dem zwei Magnetfelder kollidieren und dabei Energie in Form beschleunigter Teilchen freisetzen. Diese Teilchen fliegen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und senden blendende Strahlungsimpulse aus. Magnetische Wiederverbindungsereignisse sind wie elektrostatische Funken. In gewisser Weise handelt es sich hierbei auch um eine „elektrische Umschaltung“.

Da die NIRCam des JWST gleichzeitig zwei verschiedene Wellenlängen (2,1 und 4,8 Mikrometer) beobachten kann, konnten Yusef-Zadeh und seine Mitarbeiter vergleichen, wie sich die Helligkeit des Flares mit jeder Wellenlänge ändert. Das Einfangen zweier Lichtwellenlängen sei wie „in Farbe statt in Schwarzweiß zu sehen“, sagte Yousef-Zadeh. Durch die Beobachtung von Sagittarius A* bei mehreren Wellenlängen konnte er ein vollständigeres und differenzierteres Bild seines Verhaltens gewinnen.

Den Forschern erwartete jedoch noch eine weitere Überraschung. Sie fanden unerwartet heraus, dass sich die Helligkeit von Ereignissen, die bei kürzeren Wellenlängen beobachtet wurden, etwas früher änderte als bei Ereignissen, die bei längeren Wellenlängen beobachtet wurden.

„Dies ist das erste Mal, dass wir eine Zeitverzögerung bei Messungen bei diesen Wellenlängen beobachten“, sagte Yusef-Zadeh. „Wir haben diese Wellenlängen gleichzeitig mit NIRCam beobachtet und festgestellt, dass die längeren Wellenlängen geringfügig hinter den kürzeren Wellenlängen zurückblieben – vielleicht einige Sekunden bis 40 Sekunden.“

Diese Zeitverzögerung liefert zusätzliche Hinweise auf die physikalischen Prozesse, die rund um das Schwarze Loch ablaufen. Eine Erklärung ist, dass Partikel während des Flares Energie verlieren – Partikel mit kürzeren Wellenlängen verlieren schneller Energie als Partikel mit längeren Wellenlängen. Diese Änderung wird für Teilchen erwartet, die magnetische Feldlinien umkreisen.

Um diese Fragen weiter zu untersuchen, hofft Yusef-Zadeh, JWST nutzen zu können, um längere Beobachtungen von Sagittarius A* durchzuführen. Kürzlich hat er einen Vorschlag zur Durchführung von 24-Stunden-Beobachtungen des Schwarzen Lochs eingereicht. Längere Beobachtungen tragen dazu bei, das Rauschen zu reduzieren, sodass Forscher feinere Details erkennen können.

„Bei der Beobachtung solch schwacher Flare-Ereignisse muss man mit Lärm konkurrieren“, sagte Yusef-Zadeh. „Wenn wir 24 Stunden lang beobachten können, können wir das Rauschen reduzieren und Merkmale erkennen, die wir vorher nicht sehen konnten. Wir können auch sehen, ob diese Ausbrüche periodisch (oder wiederkehrend) zu sein scheinen oder ob sie wirklich zufällig sind.“