Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher die umgebende Materie schneller auffressen als bisher angenommen. Die Erkenntnisse stammen aus hochauflösenden Simulationen und könnten erklären, warum Quasare so schnell aufflammen und verblassen. Eine neue Studie der Northwestern University verändert die Art und Weise, wie Astrophysiker die Ernährungsgewohnheiten supermassiver Schwarzer Löcher verstehen. Frühere Forscher gingen davon aus, dass Schwarze Löcher sich langsam ernähren, doch neue Simulationen zeigen, dass Schwarze Löcher ihre Nahrung viel schneller verschlingen, als die herkömmliche Meinung vermutet.

Eine neue Studie zeigt, dass supermassive Schwarze Löcher durch das Ziehen der Raumzeit heftige Trümmerwirbel oder Akkretionsscheiben, die sie umgeben, auseinanderreißen und so zwei Unterscheiben erzeugen können, eine innere. Quelle: Nick Kaaz/Northwestern University

Die Forschung wurde am 20. September im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Einblicke in die Simulation

Laut neuen hochauflösenden dreidimensionalen Simulationen verzerrt ein rotierendes Schwarzes Loch die Raumzeit um es herum und zerreißt schließlich den heftigen Gaswirbel oder die Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt und speist. Dadurch zerfällt die Akkretionsscheibe in zwei Unterscheiben, eine innere und eine äußere. Das Schwarze Loch verschlingt zuerst den inneren Ring. Dann ergießen sich Fragmente der äußeren Unterscheibe nach innen und füllen die Lücke, die der vollständig verschlungene Innenring hinterlassen hat, wieder auf, und der Verschlingungsvorgang wiederholt sich.

Ein Zyklus der endlosen Wiederholung des Vorgangs „essen“ – „essen“ – „noch einmal essen“ dauert nur wenige Monate – eine erschreckend schnelle Zeitspanne im Vergleich zu den Hunderten von Jahren, die zuvor von Forschern vorgeschlagen wurden.

Die neue Entdeckung hilft, das dramatische Verhalten einiger der hellsten Objekte am Nachthimmel zu erklären, darunter Quasare, die plötzlich in Flammen aufgehen und dann ohne ersichtlichen Grund verschwinden.

Dieses simulierte Foto zeigt, wie die Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs in zwei Teilscheiben zerrissen wird, die auf diesem Foto falsch ausgerichtet sind. Bildnachweis: Nick Kaaz/Northwestern University

Nick Kaaz von der Northwestern University, der die Studie leitete, sagte: „Die klassische Theorie der Akkretionsscheibe sagt voraus, dass sich die Akkretionsscheibe langsam entwickeln wird. Aber einige Quasare – Schwarze Löcher, die Gas in der Akkretionsscheibe verschlingen – scheinen auf Zeitskalen von Monaten bis Jahren dramatische Veränderungen zu erfahren Veränderung, aber es ist möglich, dass die in unseren Simulationen beobachtete schnelle Aufhellung und Abschwächung mit der Zerstörung der inneren Bereiche der Scheibe übereinstimmt.“

Kaaz ist Doktorand der Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Kaaz wurde von Co-Autor Alexander Tchekhovskoy, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Weinberg College und CIERA-Mitglied, betreut.

falsche Annahme

Die Akkretionsscheiben, die Schwarze Löcher umgeben, sind physikalisch sehr komplexe Objekte und daher schwer zu modellieren. Herkömmlichen Theorien fällt es schwer zu erklären, warum diese Scheiben so hell leuchten und dann plötzlich schwächer werden – und manchmal ganz verschwinden.

Frühere Forscher gingen fälschlicherweise davon aus, dass Akkretionsscheiben relativ geordnet seien. In diesen Modellen umkreisen Gas und Teilchen das Schwarze Loch – in derselben Ebene wie das Schwarze Loch und in derselben Richtung wie der Spin des Schwarzen Lochs. Dann, über einen Zeitraum von Hunderten bis Hunderttausenden von Jahren, strömen Gasteilchen nach und nach spiralförmig in das Schwarze Loch und ernähren es.

„Jahrzehntelang gingen die Menschen davon aus, dass die Akkretionsscheibe auf die Rotation des Schwarzen Lochs ausgerichtet sei“, sagte Kaaz. „Aber das Gas, das diese Schwarzen Löcher speist, weiß nicht unbedingt, in welche Richtung sich die Schwarzen Löcher drehen. Warum richten sie sich also aus? Eine Änderung der Ausrichtung verändert das Bild dramatisch.“

Die Simulation der Forscher, eine der bislang höchstaufgelösten Simulationen einer Akkretionsscheibe, zeigt, dass die Region um ein Schwarzes Loch viel chaotischer und turbulenter ist als bisher angenommen.

Eher ein Gyroskop als eine Platte

Forscher verwendeten Summit, einen der weltweit größten Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory, um dreidimensionale Simulationen der allgemeinen relativistischen Magnetohydrodynamik (GRMHD) einer geneigten dünnen Akkretionsscheibe durchzuführen. Während frühere Simulationen nicht leistungsstark genug waren, um die gesamte für die Konstruktion eines echten Schwarzen Lochs erforderliche Physik einzubeziehen, bezieht das von Northwestern geleitete Modell Gasdynamik, Magnetfelder und allgemeine Relativitätstheorie ein, um ein vollständigeres Bild zu erstellen.

„Schwarze Löcher sind extreme allgemeinrelativistische Objekte, die die umgebende Raumzeit beeinflussen“, sagte Kaaz. „Wenn sich Schwarze Löcher also drehen, ziehen sie den Raum um sich herum wie ein riesiges Karussell und zwingen damit auch den Weltraum, sich zu drehen – ein Phänomen, das als „Frame Drag“ bekannt ist. Dies erzeugt einen sehr starken Effekt in der Nähe des Schwarzen Lochs und wird in weiter Entfernung immer schwächer.“

Frame Drag bewirkt, dass die gesamte Festplatte kreisförmig wackelt, ähnlich der Vorverarbeitung eines Gyroskops. Aber das Innere der Scheibe schwingt viel schneller als das Äußere. Dieses Kraftungleichgewicht führt dazu, dass sich die gesamte Scheibe verzieht und Gase aus verschiedenen Teilen der Scheibe kollidieren. Die starken Stoßwellen, die durch die Kollision entstehen, schieben Material heftig immer näher an das Schwarze Loch heran.

Je stärker die Verformung wird, desto schneller wackelt der innerste Bereich der Akkretionsscheibe, bis er sich vom Rest der Scheibe löst. Basierend auf neuen Simulationsergebnissen beginnen sich die Subplatten dann unabhängig voneinander zu entwickeln. Anstatt sich sanft zusammenzubewegen wie flache Platten um das Schwarze Loch, wackeln die Teilscheiben unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln wie die Räder in einem Gyroskop.

„Wenn die innere Scheibe auseinanderreißt, führt sie eine eigenständige Vorverarbeitung durch. Ihre Vorwärtsbewegung ist schneller, weil sie näher am Schwarzen Loch ist, und weil sie kleiner ist, kann sie sich leichter bewegen“, sagte Kaaz.

Wo schwarze Löcher gewinnen

Den neuen Simulationen zufolge beginnt der Fressrausch erst richtig in der Tear-Zone – dort, wo sich die innere und die äußere Teilscheibe trennen. Während die Reibung versucht, die Scheibe zusammenzuhalten, versucht die Raumzeitverzerrung des rotierenden Schwarzen Lochs, sie auseinanderzureißen.

„Es gibt einen Wettbewerb zwischen der Rotation des Schwarzen Lochs und der Reibung und dem Druck innerhalb der Scheibe“, sagte Katz. „In der Risszone gewinnt das Schwarze Loch. Die innere und die äußere Scheibe kollidieren miteinander. Die äußere Scheibe schneidet Schichten der inneren Scheibe ab und drückt sie nach innen.“

Nun schneiden sich die Teilscheiben in unterschiedlichen Winkeln. Die äußere Scheibe wirft das Material auf die innere Scheibe. Diese zusätzliche Masse drückt auch die innere Scheibe in Richtung des Schwarzen Lochs und verschluckt es. Die eigene Schwerkraft des Schwarzen Lochs zieht dann Gas aus den äußeren Regionen in die jetzt leeren inneren Regionen und füllt es wieder auf.

Die Verbindung zwischen Quasaren

Dieser schnelle Zyklus von „Essen-und-essen-essen“ könnte das sogenannte „verändernde Aussehen“ von Quasaren erklären, sagte Katz. Quasare sind extrem helle Objekte, die das 1000-fache der Energie der 200 bis 400 Milliarden Sterne in der gesamten Milchstraße ausstrahlen. Noch extremer sind sich verändernde Quasare. Sie scheinen im Laufe mehrerer Monate ein- und auszuflackern – eine extrem kurze Zeit für einen typischen Quasar.

Obwohl die klassische Theorie Annahmen über die Geschwindigkeit der Entwicklung der Akkretionsscheibe und der Helligkeitsänderungen macht, deuten Beobachtungen verzerrter Quasare darauf hin, dass sie sich tatsächlich viel schneller entwickeln.

„Der innere Bereich der Akkretionsscheibe, von dem die meiste Helligkeit stammt, kann innerhalb weniger Monate vollständig verschwinden – und zwar schnell. Wir können im Grunde sehen, wie er vollständig verschwindet.

Die neue Simulation hat nicht nur das Potenzial, Quasare zu erklären, sondern auch seit langem bestehende Fragen zur mysteriösen Natur von Schwarzen Löchern zu beantworten.

„Wie Gas in ein Schwarzes Loch gelangt, um es anzutreiben, ist eine zentrale Frage in der Physik der Akkretionsscheibe“, sagte Katz. „Wenn man weiß, wie das passiert, kann man sagen, wie lange die Scheibe hält, wie hell sie ist und wie das Licht aussehen sollte, wenn wir sie mit einem Teleskop betrachten.“