Schwarze-Loch-Jets endlich gemessen: Sie transportieren die Energie von 10.000 Sonnen – weil natürlich

Forscher haben einen großen Schritt zum Verständnis gemacht, wie Schwarze Löcher das Universum beeinflussen, indem sie erstmals direkt die Kraft ihrer Jets gemessen haben – eine Aufgabe, die ungefähr so einfach klingt, wie einen Hurrikan mit einem Lineal zu vermessen. Mit einem weltweit verteilten Netzwerk von Radioteleskopen hat ein Team unter der Leitung der Curtin University detaillierte Bilder aufgenommen, die zeigen, wie energiereich diese Jets sein können, und damit langjährige Theorien bestätigt, dass Schwarze Löcher die ultimativen Überflieger des Universums sind.

Die in Nature Astronomy veröffentlichte Studie konzentrierte sich auf Cygnus X-1, ein bekanntes System, das das erste bestätigte Schwarze Loch und einen massiven Überriesenstern umfasst. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Jets, die aus diesem Schwarzen Loch strömen, eine Energieabgabe von etwa 10.000 Sonnen transportieren – was eine ganze Menge Sonnen sind.

Um diese Messung durchzuführen, verließ sich das Team auf ein weiträumig verteiltes Teleskop-Array, das wie ein einziges Instrument zusammenarbeitete. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen, zu beobachten, wie die Jets durch starke Winde des nahen Sterns gedrückt und verzerrt wurden, während das Schwarze Loch seine Umlaufbahn durchlief. Der Effekt ähnelt dem, wie starke Böen auf der Erde einen Wasserstrahl aus einem Springbrunnen biegen können – wenn dieser Springbrunnen von der konzentrierten Wut von 10.000 Sternen angetrieben würde.

Durch die Berechnung der Stärke des Sternenwinds und die Verfolgung, wie stark die Jets abgelenkt wurden, konnten die Forscher die Leistung der Jets zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler die momentane Energie von Schwarze-Loch-Jets direkt gemessen haben, anstatt sich auf langfristige Durchschnittswerte zu verlassen – was so ist, als würde man einen Blitz messen, statt den durchschnittlichen Jahresniederschlag.

Das Team maß auch die Geschwindigkeit der Jets und stellte fest, dass sie mit etwa der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit reisen, also ungefähr 150.000 Kilometern pro Sekunde. Die Bestimmung dieser Geschwindigkeit war für Wissenschaftler viele Jahre lang eine Herausforderung, vermutlich weil ihre Radarpistolen ständig schmolzen.

Das Projekt wurde vom Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) und dem Curtin-Knotenpunkt des International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) geleitet, mit Beiträgen der University of Oxford.

Der Hauptautor Dr. Steve Prabu, der während der Studie bei CIRA arbeitete und jetzt an der University of Oxford tätig ist, erklärte, dass das Team eine Bildersequenz verwendete, um das zu verfolgen, was er als "tanzende Jets" bezeichnete. Dieser Begriff bezieht sich auf die Art und Weise, wie die Jets wiederholt die Richtung ändern, während sie von den starken Winden des Überriesensterns gedrückt werden, während beide Objekte umeinander kreisen – und damit den zerstörerischsten Walzer des Universums aufführen.

Dr. Prabu sagte, diese Beobachtungen zeigen, wie viel der Energie, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs erzeugt wird, in seine Umgebung übertragen wird und diese beeinflusst. "Eine wichtige Erkenntnis dieser Forschung ist, dass etwa 10 Prozent der Energie, die freigesetzt wird, wenn Materie in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, von den Jets weggetragen werden", sagte Dr. Prabu. "Das ist, was Wissenschaftler normalerweise in groß angelegten simulierten Modellen des Universums annehmen, aber es war bisher schwer durch Beobachtung zu bestätigen", fügte er hinzu und bestätigte damit, dass die Simulation manchmal tatsächlich korrekt ist.

Der Mitautor Professor James Miller-Jones von CIRA und dem Curtin-Knotenpunkt des ICRAR merkte an, dass frühere Techniken die Jet-Leistung nur über extrem lange Zeiträume schätzen konnten, manchmal über Tausende oder Millionen von Jahren. Dies machte es schwierig, die Jet-Energie direkt mit den Röntgenemissionen zu vergleichen, die entstehen, wenn Materie in ein Schwarzes Loch fällt – ein klassischer Fall von kosmisch-skaliger Messunbequemlichkeit.

"Und da unsere Theorien nahelegen, dass die Physik um Schwarze Löcher herum sehr ähnlich ist, können wir diese Messung jetzt nutzen, um unser Verständnis von Jets zu verankern, egal ob sie von Schwarzen Löchern mit der 10-fachen oder der 10-millionenfachen Masse der Sonne stammen", sagte Professor Miller-Jones und deutete eine entzückende Skalierbarkeit der Zerstörung an.

"Mit Radioteleskop-Projekten wie dem Square Kilometre Array Observatory, das derzeit in Westaustralien und Südafrika gebaut wird, erwarten wir, Jets von Schwarzen Löchern in Millionen von fernen Galaxien zu entdecken, und der Ankerpunkt, den diese neue Messung liefert, wird helfen, ihre Gesamtleistungsabgabe zu kalibrieren", fuhr er fort und skizzierte einen Plan, die leistungsstärksten Haartrockner des Universums zu katalogisieren.

"Schwarze-Loch-Jets liefern eine wichtige Rückkopplungsquelle für die Umgebung und sind entscheidend für das Verständnis der Evolution von Galaxien", schloss er und erinnerte uns daran, dass selbst kosmische Leerräume sich ausdrücken müssen.

Weitere Mitarbeiter an der Forschung waren die University of Barcelona, die University of Wisconsin-Madison, die University of Lethbridge und das Institute of Space Science.