Künstlerische Darstellung von Nachhallechos. (Dan Wilkins) So extrem ist die magnetische und gravitative Umgebung um a schwarzes Loch dass wir sehen sollten, wie sich Licht um es herum beugt und hinter dem Schwarzen Loch zum Betrachter zurückreflektiert wird – zumindest nach den theoretischen Vorhersagen von Einstein generelle Relativität .
Jetzt haben Astronomen dieses reflektierte Licht zum ersten Mal direkt in Form von Röntgenechos von einem supermassereichen Schwarzen Loch in 800 Millionen Lichtjahren Entfernung in einer Galaxie namens I Zwicky 1 (I Zw 1) nachgewiesen. Dies bestätigt endlich Einsteins Vorhersage und wirft weiteres Licht auf die dunkelsten Objekte im Universum.
„Jedes Licht, das in dieses Schwarze Loch eindringt, kommt nicht heraus, daher sollten wir nichts sehen können, was sich hinter dem Schwarzen Loch befindet.“ sagte der Astrophysiker Dan Wilkins der Stanford University.
„Der Grund, warum wir [die Röntgenechos] sehen können, liegt darin, dass dieses Schwarze Loch den Raum verzerrt, Licht beugt und Magnetfelder um sich selbst verdreht.“
Der Raum, der ein Schwarzes Loch unmittelbar umgibt, besteht aus mehreren Komponenten. Da ist der Ereignishorizont – der berühmte „Punkt ohne Wiederkehr“, an dem selbst Lichtgeschwindigkeit nicht ausreicht, um Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen.
Auch ein aktives Schwarzes Loch wie I Zw 1* hat eine Akkretionsscheibe. Das ist eine riesige, abgeflachte Scheibe aus Staub und Gas, die in das Objekt hineinwirbelt, als würde Wasser einen Abfluss umkreisen.
Diese Scheibe wird aufgrund der Reibung und des Magnetfeldeinflusses unglaublich heiß – so heiß, dass den Atomen Elektronen entzogen werden und ein magnetisiertes Plasma entsteht.
Knapp außerhalb des Ereignishorizonts eines aktiven Schwarzen Lochs, am inneren Rand der Akkretionsscheibe, befindet sich die Korona. Dabei handelt es sich um eine Region glühend heißer Elektronen, die vermutlich vom Magnetfeld des Schwarzen Lochs angetrieben werden.
Das Magnetfeld wird so verdreht, dass es abreißt und sich wieder verbindet – ein Prozess, der auf der Sonne löst gewaltige Eruptionen aus . In einem Schwarzen Loch wirkt die Korona wie ein Synchrotron, um die Elektronen auf so hohe Energien zu beschleunigen, dass sie im Röntgenwellenlängenbereich hell leuchten.
„Dieses Magnetfeld, das sich an das Schwarze Loch bindet und dann in dessen Nähe rastet, erhitzt alles um es herum und erzeugt diese hochenergetischen Elektronen, die dann die Röntgenstrahlen erzeugen.“ Wilkins erklärte .
Einige der Röntgenphotonen bestrahlen die Akkretionsscheibe und werden durch Prozesse wie photoelektrische Absorption und Fluoreszenz erneut verarbeitet und dann erneut emittiert – in einem sogenannten Nachhallecho, das im Röntgenbild als „Reflexion“ bezeichnet wird Spektrum. Diese Reflexionsemission kann dazu genutzt werden kartieren Sie die Region dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs am nächsten.
Es war die mysteriöse Korona, die Wilkins und sein Team untersuchen wollten, als sie mit der Untersuchung von I Zw 1* begannen. Sie beobachteten die Galaxie im Januar 2020 mit zwei Röntgenobservatorien, NUStar und XMM-Newton.
Sie sahen die erwarteten Röntgenausbrüche in den Daten, fanden dann aber etwas, was sie nicht erwartet hatten – kleinere, spätere Röntgenlichtblitze in einem anderen Teil des Spektrums.
Wilkins erkannte, dass diese mit Reflexionen übereinstimmten, die von hinter dem Schwarzen Loch kamen, wobei ihre Bahnen durch sein unglaublich starkes Gravitationsfeld um das massive Objekt gebogen wurden und ihr Licht vergrößert wurde.
„Ich arbeite seit einigen Jahren daran, theoretische Vorhersagen darüber zu treffen, wie diese Echos auf uns wirken.“ Wilkins erklärte . „Ich hatte sie bereits in der Theorie gesehen, die ich entwickelt habe. Als ich sie also bei den Teleskopbeobachtungen sah, konnte ich den Zusammenhang herausfinden.“
Es ist wieder einmal erfreulich, eine weitere wichtige Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen, aber die Entdeckung ist auch aus mehreren anderen Gründen aufregend.
Zum einen ist es wirklich toll, etwas Neues darüber zu erfahren Schwarze Löcher . Sie sind so knifflige kosmische Wesen – da sie unsichtbar sind und der Raum um sie herum so extrem ist –, dass Beobachtungsstudien eine ziemliche Herausforderung darstellen.
Es ist auch ein Maß dafür, wie weit wir gekommen sind und dass wir sowohl mit unseren Instrumenten als auch mit unseren Analysetechniken solche detaillierten Beobachtungen machen können. Die Forscher sagen, dass die Wissenschaft über Schwarze Löcher nur noch besser werden wird, da eine neue Generation von Teleskopen bereit ist, ihre Augen für den Himmel zu öffnen.
„Das Bild, das wir derzeit anhand der Daten gewinnen, wird mit diesen neuen Observatorien viel klarer werden.“ Sagte Wilkins .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .