Der Massenbereich Schwarzer Löcher reicht von kleinen Objekten, die durch den Tod einzelner Sterne entstehen, bis hin zu Monstern, die Milliardenfach schwerer sind und die Zentren von Galaxien beherrschen. Eine neue Studie unter Verwendung von Daten des Swift-Satelliten und des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA zeigt, dass die von aktiven Schwarzen Löchern wegkatapultierten Hochgeschwindigkeitsjets fundamentale Gemeinsamkeiten besitzen, unabhängig von der Masse, dem Alter oder der Umgebung. Die Erkenntnis liefert einen spannenden Hinweis darauf, dass gemeinsame physikalische Prozesse am Werk sind.
“Was wir sehen ist: Wenn irgendein Schwarzes Loch erst einmal einen Jet produziert, erzeugt derselbe feste Bruchteil der Energie die Gammastrahlung, die wir mit Fermi und Swift beobachten”, sagte der leitende Forscher Rodrigo Nemmen, ein Stipendiat des NASA Postdoctoral Program (NPP) am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland).
Gas, das in Richtung eines Schwarzen Lochs fällt, spiralt nach innen und sammelt sich in einer Akkretionsscheibe, wo es komprimiert und aufgeheizt wird. In der Nähe der inneren Kante der Scheibe, auf der Schwelle zum Ereignishorizont des Schwarzen Lochs (dem Punkt, ab dem eine Rückkehr nicht mehr möglich ist), wird ein Teil der Materie beschleunigt und als ein Paar Jets in entgegengesetzte Richtungen entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs fortgeschleudert. Diese Jets enthalten Teilchen, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen und Gammastrahlen – die extremste Form von Licht – erzeugen, wenn sie interagieren.
“Wir verstehen nicht genau, wie dieser Beschleunigungsprozess stattfindet, aber in aktiven Galaxien sehen wir Jets, die so lange ‘gearbeitet’ haben, dass sie Gasschweife erzeugt haben, die sich mehrere Millionen Lichtjahre weit erstrecken”, sagte Sylvain Guiriec, ein NPP-Stipendiat am Goddard Space Flight Center. Er ist Co-Autor der Studie, die in der Science-Ausgabe vom 14. Dezember 2012 veröffentlicht wurde.
Am anderen Ende der Skala liegen Gammastrahlenausbrüche (gamma-ray bursts, GRBs), die energiereichsten Explosionen im Universum. Astronomen glauben, dass der häufigste GRB-Typ den Tod eines massereichen Sterns und die Geburt eines stellaren Schwarzen Lochs verkündet. Wenn der Energie produzierende Kern seinen Brennstoffvorrat aufgebraucht hat, kollabiert er und bildet ein Schwarzes Loch. Während die darüber liegenden Schichten des Sterns nach innen stürzen, bildet sich eine Akkretionsscheibe und das Schwarze Loch erzeugt einen Jet.
Die Teilchen in einigen GRB-Jets wurden mit Geschwindigkeiten größer als 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gemessen. Wenn der Jet die Oberfläche des Sterns durchbricht, erzeugt er einen Gammastrahlenpuls, der typischerweise wenige Sekunden andauert. Satelliten wie Swift und Fermi können diese Emissionen registrieren, falls der Jet annähernd in unsere Richtung zeigt.
Um nach einer Tendenz inmitten eines breiten Massenbereichs zu suchen, betrachteten die Wissenschaftler das galaktische Äquivalent von GRB-Jets: Sie stammen aus den hellsten Klassen aktiver Galaxien – Blazare und Quasare -, die mit Jets protzen, welche gleichermaßen zufällig in unsere Richtung zeigen.
Um die Energiemenge zu erreichen, die von einem typischen Blazar in einer Sekunde abgegeben wird, müsste die Sonne 317.000 Jahre lang leuchten. Um der Energie eines gewöhnlichen GRBs gleichzukommen, müsste die Sonne weitere drei Milliarden Jahre lang leuchten.
Das Team untersuchte 54 GRBs und 234 Blazare und Quasare. Die Gammastrahlen-Helligkeit, die mit Fermi, Swift und anderen Observatorien gemessen wurde, sagte den Forschern, wie viel Licht die Jets abstrahlen. Radio- und Röntgenobservatorien erlaubten ihnen, die Stärke der Teilchenbeschleunigung in jedem Jet zu bestimmen. Indem sie analysierten, wie diese beiden Eigenschaften zueinander in Beziehung stehen, entdeckten die Wissenschaftler, dass die GRB- und Blazar-Exemplare beide das gleiche Verhältnis zeigten.
“Hier haben wir eine Situation, wo der Mechanismus, welcher Materie von einem Schwarzen Loch abstößt, entweder an beiden Enden der Massenskala (von wenigen Sonnenmassen bis zu einer Milliarde Sonnenmassen) sehr ähnlich sein muss, oder wir brauchen verschiedene Mechanismen, die es hinbekommen, sehr ähnliche Wirkungen zu erzielen”, erklärte Co-Autorin Eileen Meyer, eine Postdoktorandin am Space Telescope Science Institute in Baltimore.
Die Entdeckung vereinfacht das Verständnis der Astronomen von Schwarzen Löchern, indem sie zeigt, dass deren Aktivität von demselben Regelwerk gesteuert wird, wie auch immer es aussehen mag – unabhängig von Masse, Alter oder der Helligkeit und Stärke des Jets. Die Jets zapfen ähnliche Bruchteile (zwischen drei und 15 Prozent) der Energie an, die in der Bewegung ihrer beschleunigten Teilchen steckt, um die Emission von Gammastrahlen und anderen Lichtformen anzutreiben.
“Es ist ein bisschen wie ein armer Mann und ein Milliardär, die denselben Prozentsatz ihrer Einkommen für ihre Heizkostenrechnungen bezahlen”, sagte Teammitglied Markos Georganopoulos, ein außerordentlicher Professor für Physik an der University of Maryland, Baltimore County.
Die Autoren hoffen, die Forschungsarbeit auf andere von Schwarzen Löchern angetriebenen Ereignisse ausdehnen zu können, bei denen Jets entstehen – zum Beispiel die Zerstörung von Sternen durch die Gezeitenkräfte supermassiver Schwarzer Löcher.
“Ein besonders nützliche Folge dieser Forschung wird eine bessere Kommunikation zwischen den Astronomen sein, die GRBs untersuchen, und denen, die aktive Galaxien studieren. In der Vergangenheit neigten wir dazu, das als getrennte Forschungsgebiete anzusehen”, sagte Co-Autor Neil Gehrels, der leitende Wissenschaftler der Swift-Mission.
Quelle: http://www.nasa.gov/topics/universe/features/black-hole-symmetry.html
(THK)
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