Wissenschaftler haben zum ersten Mal eindeutige Beweise für einen Raum-Zeit-Wirbel gefunden, ein Phänomen, das Einstein vor mehr als einem Jahrhundert vorhergesagt, aber bisher nicht direkt beobachtet hat. Die in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichte Studie zeigt, dass Schwarze Löcher das Gefüge der Raumzeit selbst verzerren und Materie in der Nähe in eine wackelige Bewegung versetzen können.
Dieser Effekt ist als Reims-Teering-Präzession oder Frame Drag bekannt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn ein schnell rotierendes Schwarzes Loch die umgebende Raumzeit mit sich zieht, ähnlich wie ein Kreisel im Wasser einen Wirbel erzeugt. Das Phänomen geht auf Einsteins Relativitätstheorie zurück, die die Schwerkraft als die durch Masse und Energie verursachte Krümmung der Raumzeit und nicht als einfache Anziehung beschreibt.
Ein vom National Astronomical Observatory of China geleitetes und von der Cardiff University unterstütztes Forschungsteam untersuchte ein Gezeitenstörungsereignis namens AT2020afhd. Eine Gezeitenstörung tritt auf, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt und es durch die starke Schwerkraft auseinandergerissen wird. In diesem Fall wurde ein Stern von einem supermassiven Schwarzen Loch zerstört, das Millionen oder Milliarden Mal massereicher als die Sonne ist und sich typischerweise im Zentrum einer Galaxie befindet. Die Überreste des Sterns bilden eine Akkretionsscheibe, eine rotierende Struktur aus extrem heißem Gas und Trümmern, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft spiralförmig nach innen dreht. Gleichzeitig werden leistungsstarke Strahlen aus Plasma und hochenergetischen Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert.
Durch die Verfolgung von Veränderungen in Röntgen- und Radiosignalen stellten die Forscher fest, dass die Akkretionsscheibe und der Jet in einem etwa 20-tägigen Zyklus gemeinsam schwankten. Röntgenstrahlen sind hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die von extrem heißem Material in der Nähe von Schwarzen Löchern erzeugt wird, während Radiosignale langwellige Strahlung sind, die von Astronomen zur Untersuchung von Jets, Magnetfeldern und hochenergetischen Teilchen verwendet wird. Diese synchronisierte Bewegung ist genau das, was die Theorie vorhersagt, wurde jedoch noch nie zuvor so detailliert bestätigt.
Co-Autor Dr. Cosimo Incella von der Universität Cardiff erklärte, dass die Studie den bisher überzeugendsten Beweis für die Reims-Teering-Präzession zeige, bei der ein Schwarzes Loch die Raumzeit auf die gleiche Weise anzieht, wie ein Kreisel am umgebenden Wasser ziehen könnte, um einen Wirbel zu bilden.
Die Forschung fügt wichtigen wissenschaftlichen Kontext hinzu. Theorien und Simulationen zeigen seit langem, dass die extreme Krümmung der Raumzeit in der Nähe von Schwarzen Löchern die Bahnen von Licht und Materie verbiegt und unter dem Einfluss starker relativistischer Kräfte Akkretionsscheiben- und Jet-Präzessionseffekte erzeugt. Diese Effekte werden erheblich, wenn die Schwerkraft stark ist oder wenn sich Materie nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Was diesen Fall besonders herausragend macht, sind die klaren Beobachtungsbeweise. Das Forschungsteam berichtete über eine 19,6-tägige quasiperiodische Variation der Röntgen- und Radiosignale, einen sich wiederholenden, aber nicht ganz regelmäßigen Zyklus, in dem die Röntgenamplituden mehr als zehnmal stärker als normal sind. Die nahezu gleichzeitigen Veränderungen deuten auf einen gemeinsamen Mechanismus hin, der beide strahlungserzeugenden Regionen steuert.
Das Akkretions-Scheibenstrahl-Lance-Teering-Präzessionsmodell war in der Lage, diese Veränderungen zu reproduzieren, und die Daten zeigten, dass das beteiligte Schwarze Loch vom Low-Spin-Typ war, was bedeutete, dass es sich langsamer drehte als die schnell rotierenden Schwarzen Löcher, die von vielen relativistischen Modellen vorhergesagt wurden. Die Studie entdeckte auch kurzfristige Radioänderungen während Gezeitenereignissen, ein Phänomen, das noch nie zuvor beobachtet wurde. Die Forscher sagen, dass dies die Bedeutung der Hochfrequenz-Radioüberwachung unterstreicht, bei der Beobachtungen häufig über kurze Zeitintervalle wiederholt werden, was mehr darüber verraten könnte, wie Schwarze Löcher ihre Umgebung formen.
Die Entdeckung bestätigte eine Vorhersage von Albert Einstein aus dem Jahr 1913 und wurde später von Joseph Lance und Hans Thiering im Jahr 1918 mathematisch definiert. Sie eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Rotation von Schwarzen Löchern, der Akkretionsphysik, die untersucht, wie Materie in massive Objekte fällt und Energie freisetzt, und der Jetbildung, dem Prozess, bei dem rotierende Materie und Magnetfelder schmale Ströme hochenergetischen Plasmas in den Weltraum schleudern. Für Wissenschaftler ist es eine seltene Gelegenheit zu beobachten, wie die Raumzeit selbst durch eines der extremsten Objekte im Universum verzerrt wird.