Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation veröffentlicht. Die Veröffentlichung hat den Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen. Marco Ajello ist Professor für Physik und Astronomie an der Clemson University in South Carolina, wo Jonathan Zrake Assistenzprofessor für Physik ist.
Jede Galaxie hat in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch, ähnlich wie jedes Ei einen Eigelb hat. Aber manchmal legen Hühner Eier mit zwei Eigelb. In ähnlicher Weise erwarten Astrophysiker wie wir, die supermassereiche Schwarze Löcher untersuchen, Doppelsysteme – zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die einander umkreisen – im Herzen einiger Galaxien.
Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht aus ihrer Umgebung entweichen kann. Sie entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns in sich zusammenfällt, und sie wirken wie kosmische Staubsauger. Supermassive Schwarze Löcher haben eine Masse, die eine Million Mal so groß ist wie die unserer Sonne oder größer. Wissenschaftler wie wir untersuchen sie, um zu verstehen, wie die Schwerkraft funktioniert und wie Galaxien entstehen.
Herauszufinden, ob eine Galaxie ein oder zwei Schwarze Löcher in ihrem Zentrum hat, ist nicht so einfach wie das Aufschlagen eines Eies und das Untersuchen des Eigelbs. Aber die Messung, wie oft sich diese binären supermassiven Schwarzen Löcher bilden, kann Forschern helfen zu verstehen, was mit Galaxien passiert, wenn sie verschmelzen.
In einer neuen Studie hat unser Team historische astronomische Daten durchforstet, die über hundert Jahre zurückreichen. Wir suchten nach Licht, das von einer Galaxie emittiert wurde, die Anzeichen dafür zeigte, dass sie ein binäres supermassereiches Schwarzes-Loch-System beherbergt.
Galaktische Kollisionen und Gravitationswellen
Galaxien wie die Milchstraße sind fast so alt wie das Universum. Manchmal kollidieren sie mit anderen Galaxien, was dazu führen kann, dass die Galaxien verschmelzen und eine größere, massereichere Galaxie bilden.
Die beiden Schwarzen Löcher im Zentrum der beiden verschmelzenden Galaxien könnten, wenn sie nahe genug sind, ein Paar bilden, das durch die Schwerkraft gebunden ist. Dieses Paar kann bis zu Hunderte von Millionen Jahren leben, bevor die beiden Schwarzen Löcher schließlich zu einem verschmelzen.
Simulation enthüllt spiralförmige supermassereiche Schwarze Löcher – YouTube
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Binäre Schwarze Löcher setzen Energie in Form von Gravitationswellen frei – Wellen in der Raumzeit, die spezialisierte Observatorien erkennen können. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bewegen sich diese Wellen mit Lichtgeschwindigkeit und bewirken, dass sich der Raum um sie herum ausdehnt und zusammendrückt, ähnlich einer Welle.
Pulsar-Timing-Arrays nutzen Pulsare, die dichten, hellen Kerne kollabierter Sterne. Pulsare drehen sich sehr schnell. Forscher können nach Lücken und Anomalien im Muster der von diesen rotierenden Pulsaren ausgesendeten Radiowellen suchen, um Gravitationswellen zu erkennen.
Während Pulsar-Timing-Arrays das kollektive Gravitationswellensignal des Ensembles von Doppelsternsystemen der letzten 9 Milliarden Jahre erfassen können, sind sie noch nicht empfindlich genug, um das Gravitationswellensignal eines einzelnen Doppelsternsystems in einer Galaxie zu erfassen. Und selbst die leistungsstärksten Teleskope können diese binären Schwarzen Löcher nicht direkt abbilden. Daher müssen Astronomen clevere indirekte Methoden anwenden, um herauszufinden, ob eine Galaxie ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat.
Auf der Suche nach Anzeichen für binäre Schwarze Löcher
Eine Art indirekter Methode besteht darin, nach periodischen Signalen aus den Zentren aktiver Galaxien zu suchen. Dabei handelt es sich um Galaxien, die deutlich mehr Energie abgeben, als Astronomen angesichts der Menge an Sternen, Gas und Staub, die sie enthalten, erwarten würden.
Diese Galaxien emittieren Energie aus ihrem Kern oder Zentrum – dem sogenannten aktiven galaktischen Kern. In einem Prozess namens Akkretion nutzt das Schwarze Loch in jeder aktiven Galaxie die Schwerkraft, um nahegelegenes Gas nach innen zu ziehen. Das Gas beschleunigt sich, wenn es sich dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs nähert – so wie Wasser, das einen Strudel umgibt, sich immer schneller bewegt, während es sich spiralförmig nach innen bewegt.
Wenn sich das Gas erwärmt, leuchtet es hell im optischen, ultravioletten und Röntgenlicht. Aktive galaktische Kerne gehören zu den leuchtendsten Objekten im Universum.
Einige aktive galaktische Kerne können Jets aussenden, bei denen es sich um Teilchenstrahlen handelt, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Wenn diese Jets mit der Sichtlinie unserer Observatorien übereinstimmen, erscheinen sie extrem hell. Sie sind wie kosmische Leuchttürme.
Einige aktive galaktische Kerne haben periodische Lichtsignale, die hell werden, verblassen und dann wieder hell werden. Dieses einzigartige Signal könnte von der zyklischen Bewegung zweier supermassereicher Schwarzer Löcher im Inneren herrühren und legt Astronomen nahe, in dieser Galaxie nach einem binären Schwarzen-Loch-System zu suchen.
Auf der Suche nach einem binären Schwarzen-Loch-System
Unser Team untersuchte einen solchen aktiven galaktischen Kern namens PG 1553+153. Das Licht dieses Objekts wird etwa alle 2,2 Jahre heller und schwächer.
Diese periodischen Schwankungen legen nahe, dass sich in PG 1553+153 ein supermassereicher Doppelstern eines Schwarzen Lochs befindet. Aber eine Binärdatei ist nicht die einzige Erklärung für diese Variation. Andere Phänomene wie wackelige Jets oder Veränderungen im Materialfluss um das Schwarze Loch könnten dieses Muster auch ohne die Anwesenheit eines binären Schwarzen Lochs erklären, also mussten wir diese ausschließen.
Um zu verstehen, ob die Lichtemissionsmuster des PG 1553+153-Systems von einem binären Schwarzen Loch stammen, haben wir simuliert, wie binäre supermassereiche Schwarze Löcher Gas sammeln. Unsere Modelle deuten darauf hin, dass sich manchmal, wenn die Schwarzen Löcher Gas ansaugen, dichte Gasklumpen um die Außenseite des Lochs ansammeln.
Wir haben berechnet, dass die Zeit, die diese Klumpen benötigen, um die beiden Schwarzen Löcher zu umkreisen, fünf- bis zehnmal länger sein sollte als die Zeit, die die beiden Schwarzen Löcher benötigen, um einander zu umkreisen.
So hatten wir endlich eine klare Vorhersage, die wir testen konnten. Wenn ein binäres Schwarzes-Loch-System die 2,2-jährige periodische Variation in PG 1553+153 verursacht, dann sollten wir auch in der Lage sein, ein längeres Variationsmuster zu sehen, etwa alle 10 bis 20 Jahre, wenn die Gasklumpen um die Schwarzen Löcher kreisen .
Aber um zu sehen, ob es sich wirklich um ein Muster handelte, mussten wir beobachten, wie es sich vier bis fünf Zyklen lang wiederholte. Für PG 1553+153 wären das 40 bis 100 Jahre.
Astronomen beobachten den Himmel seit Hunderten von Jahren. Doch die Ära der digitalen Astronomie, in der astronomische Bilder auf Computern aufgezeichnet und in Datenbanken gespeichert werden, ist noch sehr jung – erst seit etwa dem Jahr 2000.
Zuvor, ab etwa 1850, zeichneten Astronomen Bilder des Himmels auf Fotoplatten auf. Hierbei handelt es sich um flache Glasstücke, die mit einer lichtempfindlichen chemischen Schicht überzogen sind, die traditionell in der Fotografie verwendet wird. Viele Observatorien auf der ganzen Welt verfügen über fotografische Bilder des Nachthimmels, die mehr als hundert Jahre alt sind. Zuvor skizzierten Astronomen in ihren Notizbüchern, wie der Himmel aussah.
Projekte wie DASCH, Digital Access to a Sky Century in Harvard, haben damit begonnen, Fotoplatten einiger Observatorien zu digitalisieren, um sie Wissenschaftlern und Nichtwissenschaftlern gleichermaßen zugänglich zu machen.
Unser Team erfuhr, dass die DASCH-Datenbank Daten zu PG 1553+153 aus dem Jahr 1900 – mehr als 120 Jahre – bereitstellte. Wir haben diesen Datensatz verwendet, um zu sehen, ob wir ein Muster erkennen konnten, das sich alle 10 bis 20 Jahre wiederholt.
Zu unserer Überraschung fanden wir ein 20-Jahres-Muster, das unserer Theorie, dass es im Kern von PG 1553+153 ein Binärsystem gibt, weitere Beweise liefert. Die Entdeckung dieses zweiten Musters half uns auch herauszufinden, dass die Massen der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher in einem Verhältnis von 2,5:1 stehen – wobei eines zweieinhalb Mal so groß ist wie das andere – und dass ihre Umlaufbahn nahezu kreisförmig ist.
Obwohl diese historischen Daten uns zuversichtlicher machen, dass es in PG 1553+153 zwei supermassereiche Schwarze Löcher gibt, können wir es immer noch nicht mit Sicherheit sagen. Die endgültige Bestätigung muss möglicherweise warten, bis die Pulsar-Timing-Arrays empfindlich genug sind, um die Gravitationswellen von PG 1553+153 zu erkennen.
Diese Geschichte wurde von The Conversation bereitgestellt. Lesen Sie den Originalartikel.
