Erstmals ist es einem Team von Astrophysiker:innen der britischen Oxford-Universität gelungen, den Nachweis zu erbringen, dass Materie wirklich jenseits der Akkretionsscheibe in das Schwarze Loch stürzt. Begeistert erklären sie: „Stellen Sie sich vor, ein Fluss verwandelt sich in einen Wasserfall – bisher haben wir den Fluss betrachtet. Dies ist unser erster Blick auf den Wasserfall.“
Einsteins Theorie von 1915 erweist sich erneut als richtig
Die Entdeckung stützt erneut Albert Einsteins Gravitationstheorie aus dem Jahr 1915 und daraus hauptsächlich die Allgemeine Relativitätstheorie. Um die „Absturzregion“, also den Punkt, an dem Materie aus der Akkretionsscheibe in das Schwarze Loch stürzt, zu finden, beobachtete das Oxford-Team Regionen, die Schwarze Löcher mit stellarer Masse in Doppelsternsystemen mit Begleitsternen umgeben. Zudem legte das Team Wert darauf, sich nicht zu weit von der Erde wegzubewegen. In einer Entfernung von nur 10.000 Lichtjahren wurden sie schließlich fündig.
Dabei nutzten die Forscher:innen Röntgendaten einer Reihe von Weltraumteleskopen – allen voran das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA und der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der Internationalen Raumstation. Beim NuStar handelt es sich um einen Satelliten, der rund 600 Kilometer hoch um die Erde kreist.
10.000 Lichtjahre entfernt: Forscher weisen Absturzregion eines Schwarzen Lochs nach
Die Datenlage reichte aus, um den Verlauf heißen ionisierten Gases und Plasmas zu bestimmen, das von dem Begleitstern abgestreift wird. Dabei zeigte sich, dass diese Materie am Rande des zugehörigen Schwarzen Lochs in die Tiefe stürzt.
Ebenso legen die Ergebnisse nahe, dass um die von den Forscher:innen identifizierten „Plunge“-Regionen um ein Schwarzes Loch die stärksten Gravitationseinflüsse auftreten, die jemals in unserer Milchstraßengalaxie beobachtet wurden.
„Dies ist der erste Blick darauf, wie Plasma, das vom äußeren Rand eines Sterns abgeschält wird, seinen endgültigen Fall in das Zentrum eines Schwarzen Lochs erlebt, ein Prozess, der in einem System stattfindet, das etwa 10.000 Lichtjahre entfernt ist“, verdeutlicht der Forschungsleiter Andrew Mummery in einer Erklärung. „Einsteins Theorie sagte die Existenz dieses finalen Sturzes voraus, aber dies ist das erste Mal, dass wir in der Lage sind, ihn zu demonstrieren.“
Extreme Krümmung erzeugt extreme Schwerkraft
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bewirken Objekte mit Masse eine Verformung des Gefüges von Raum und Zeit. Da die aber zu einer einzigen vierdimensionalen Einheit, der Raumzeit, vereinigt sind, ergibt sich die Schwerkraft aus der daraus resultierenden Krümmung. Mit anderen Worten: je mehr Masse, desto stärker die Krümmung.
Entsprechend kann bei einer Masse, die Dutzenden oder sogar Hunderten Sonnen entspricht, die auf eine Fläche von etwa der Größe der Erde komprimiert sind, die Krümmung der Raumzeit und der Gravitationseinfluss Schwarzer Löcher extrem werden. Einstein sagte zudem voraus, dass es einen Punkt direkt außerhalb der Grenze des Schwarzen Lochs geben müsse, an dem Teilchen nicht mehr in der Lage sind, eine stabile Bahn zu halten. Vielmehr müsse die Materie, die in diese Region eintritt, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf das Schwarze Loch zustürzen.
Außerhalb dieses Punkts bildet von der Schwerkraft mitgerissene Materie eine abgeflachte, rotierende Wolke um das Schwarze Loch, die sogenannte Akkretionsscheibe. Von hier aus wird dem Schwarzen Loch stetig Materie zugeführt.
An einem Punkt weiter innen gibt es danach eine innerste stabile Kreisbahn. Bis dahin kann Materie in einer Akkretionsscheibe stabil rotieren kann. Ist dieser Punkt überschritten, stürzt die Materie aus der Kreisbahn in das Schwarze Loch.
Osford-Team misst Emissionen aus dem Inneren des Schwarzen Lochs
Diesen bisher nur theoretischen Ansatz konnte das Oxford-Team nun nachweisen, indem es Emissionen jenseits der innersten stabilen Kreisbahn um ein Schwarzes Loch namens MAXI J1820+070 fand. MAXI J1820+070 befindet sich etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und hat eine Masse von etwa acht Sonnen.
Jetzt legen die Oxford-Forscher:innen besondere Hoffnung in den Bau des Afrika-Millimeter-Teleskops im afrikanischen Namibia. Dieses Teleskop soll den Wissenschaftler:innen ermöglichen, direkte Bilder von Schwarzen Löchern aufzunehmen und die tiefer liegenden Regionen von weiter entfernten Schwarzen Löchern zu erforschen. Die Inbetriebnahme könnte bis 2027 erfolgen.
Die Forschungsergebnisse des Oxford-Teams lassen sich im Detail in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society nachlesen.