Schwarze Löcher verbiegen unser Verständnis des Universums und der Gesetze der Physik. Während sich das Schwarze Loch dreht, schleppt es den umgebenden Raum mit sich herum und gibt Astronomen die Möglichkeit, einige von Einsteins Vorhersagen über die Relativitätstheorie zu studieren.
Die Existenz von Schwarzen Löchern ist vielleicht die faszinierendste Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Wenn eine Masse wie ein Stern kompakter als eine bestimmte Grenze wird, wird ihre eigene Schwerkraft so stark, dass das Objekt zu einem singulären Punkt, einem Schwarzen Loch, zusammenbricht. In der Bevölkerung ist dieser immense Schwerkraftbrunnen ein Ort, an dem seltsame Dinge passieren. Und jetzt hat ein vom Zentrum für Astrophysik geführtes Team ein Schwarzes Loch mit Sternmasse gemessen, das sich so schnell dreht - mehr als 950 Mal pro Sekunde -, dass es die vorhergesagte Geschwindigkeitsbegrenzung für die Rotation überschreitet.
"Ich würde sagen, dass dieses Schwerkraftregime so weit von direkter Erfahrung und Wissen entfernt ist wie die subatomare Welt selbst", sagt der CfA-Astronom Jeffrey McClintock.
Unter Anwendung einer von McClintock und dem CfA-Astrophysiker Ramesh Narayan gemeinsam entwickelten Technik zur Messung des Spins verwendete das Team die Satellitendaten Rossi X-ray Timing Explorer der NASA, um die bisher direkteste Bestimmung des Schwarzlochspins zu ermöglichen.
McClintock und Narayan leiteten eine internationale Gruppe, bestehend aus Rebecca Shafee, Physikabteilung der Harvard University; Ronald Remillard, Kavli-Zentrum für Astrophysik und Weltraumforschung, MIT; Shane Davis, Universität von Kalifornien, Santa Barbara, und Li-Xin Li, Max-Planck-Institut für Astrophysik, Deutschland, in dieser Forschung. Die Ergebnisse werden in der heutigen Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
"Wir haben jetzt genaue Werte für die Spinraten von drei Schwarzen Löchern", sagt McClintock. "Am aufregendsten ist unser Ergebnis für den Mikroquasar GRS1915 + 105, dessen Spin zwischen 82% und 100% des theoretischen Maximalwerts liegt."
„Dieses Ergebnis hat wichtige Auswirkungen auf die Erklärung der Emission von Jets durch Schwarze Löcher, auf die Modellierung möglicher Quellen von Gammastrahlenausbrüchen und auf die Detektion von Gravitationswellen“, sagt der Theoretiker Narayan.
Warum interessieren sich Astronomen für Spin?
„In der Astronomie wird ein Schwarzes Loch vollständig durch nur zwei Zahlen beschrieben, die seine Masse und seine Rotationsgeschwindigkeit angeben“, sagt McClintock. "Wir kennen nichts so Einfaches außer einem fundamentalen Teilchen wie einem Elektron oder einem Quark."
Obwohl es Astronomen gelungen ist, die Masse des Schwarzen Lochs zu messen, war es für sie viel schwieriger, den zweiten grundlegenden Parameter eines Schwarzen Lochs, seinen Spin, zu messen.
"In der Tat gab es bis zu diesem Jahr keine glaubwürdige Schätzung des Spins für ein Schwarzes Loch", sagt Narayan.
Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass es beim Drehen des Schwarzen Lochs den umgebenden Raum mit sich zieht. Der Rand dieses sich drehenden Lochs wird als Ereignishorizont bezeichnet. Jegliches Material, das den Ereignishorizont überschreitet, wird in das Schwarze Loch gezogen.
"Die von uns gemessene Spinfrequenz des Schwarzen Lochs ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Raumzeit direkt am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs dreht oder gezogen wird", sagt Narayan.
Das Hochgeschwindigkeits-Schwarze Loch, GRS 1915, ist das massereichste der 20 binären Röntgen-Schwarzen Löcher, für die derzeit Massen bekannt sind, und wiegt etwa 14-mal so viel wie die Sonne. Es ist bekannt für einzigartige Eigenschaften wie das Ausstoßen von Materiestrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und schnelle Variationen seiner Röntgenemission.
In den letzten Jahrzehnten wurden Dutzende von Schwarzen Löchern in Röntgenbinärsystemen entdeckt. Eine Röntgenbinärdatei ist ein System, bei dem zwei Objekte umeinander kreisen, wobei Gas von einem - einem normalen Stern wie der Sonne - stetig auf den anderen übertragen wird - in diesem Fall auf ein Schwarzes Loch. Das Gas wandelt sich durch einen als Akkretion bezeichneten Prozess auf das Schwarze Loch. Während es sich dreht, erwärmt es sich auf Millionen von Grad und strahlt Röntgenstrahlen aus. Das Team verwendete das Röntgenspektrum der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs, um dessen Spin zu bestimmen.
Die Technik basiert auf einer Schlüsselvorhersage der Relativitätstheorie: Gas, das sich auf einem Schwarzen Loch ansammelt, strahlt nur bis zu einem bestimmten Radius aus, der außerhalb des Schwarzen Lochs liegt - außerhalb seines Ereignishorizonts. Innerhalb dieses Radius fällt das Gas zu schnell in das Loch, um viel Strahlung zu erzeugen. Der kritische Radius hängt vom Spin des Schwarzen Lochs ab. Die Messung dieses Radius liefert daher eine direkte Schätzung des Spins. Je kleiner der Radius ist, desto heißer sind die Röntgenstrahlen, die von der Scheibe emittiert werden. Die Temperatur der Röntgenstrahlen in Verbindung mit der Röntgenhelligkeit gibt den Radius an, der wiederum die Spinrate des Schwarzen Lochs angibt.
"Es ist wirklich cool, etwas so Grundlegendes messen zu können", sagt Rebecca Shafee, eine Doktorandin am Physik-Institut der Harvard University. „Unsere Methode ist sehr einfach im Konzept und leicht zu verstehen. Wir sind wirklich glücklich, leistungsstarke Röntgenobservatorien wie den Rossi X-Ray Timing Explorer im Weltraum und Teleskope auf der Erde zu haben, um die Messungen durchzuführen, die wir benötigen. “
Die Suche nach der Ursache für Gammastrahlenausbrüche, die für einen Moment der hellste Blitz im Universum sein können, kann durch die Ergebnisse des Teams unterstützt werden. Der theoretische Astrophysiker Stan Woosley von der University of California in Santa Cruz hat Gammastrahlenausbrüche modelliert, die auf dem Zusammenbruch eines massiven Sterns basieren. Diese Modelle hängen jedoch von der Existenz von Schwarzen Löchern mit sehr hohem Spin ab, die bisher nie bestätigt wurden.
"Das ist extrem wichtig", sagt Woosley. "Ich hatte keine Ahnung, dass solche Messungen durchgeführt werden könnten."
Das Papier kommt zu dem Schluss, dass GRS 1915 und die anderen beiden vom Team untersuchten Schwarzen Löcher mit ihren hohen Spins geboren wurden. Das heißt, der kollabierende Kern des ursprünglichen massiven Sterns schüttete seinen Drehimpuls in das Schwarze Loch.
„Seit die Gemeinde vor vielen Jahren herausgefunden hat, wie man die Masse von Schwarzen Löchern misst, ist das Messen des Spins der heilige Gral auf diesem Gebiet“, sagt McClintock. „Die Technik, die wir bei GRS 1915 verwendet haben, kann auf eine Reihe anderer Röntgenbinärdateien für Schwarze Löcher angewendet werden. Wir können es kaum erwarten zu sehen, was wir finden! '”
„Eine unserer großen Hoffnungen ist, dass die Schwarzlochsysteme, die wir untersuchen, auch von anderen Gruppen mit ihren bevorzugten Methoden zur Messung des Spins untersucht werden“, sagt Narayan. "Sobald diese anderen Methoden weiterentwickelt und zuverlässiger werden, wäre ein Kreuzvergleich der Ergebnisse der verschiedenen Methoden am interessantesten."
Originalquelle: CfA-Pressemitteilung
