[ziesell]

Astronomie: Schwarze Löcher zerfressen sich selbst

Supermassereiche schwarze Löcher können den gewaltigen Strudel von Trümmern auseinanderreißen, der sie umgibt. Sie zerren dabei an der Raumzeit.



Schwarze Löcher gehören zu den extremsten Objekten in unserem Universum. Sie beeinflussen die Raumzeit um sich herum. "Wenn sie rotieren, ziehen sie den Raum um sich herum wie ein riesiges Karussell mit sich und zwingen ihn, sich ebenfalls zu drehen – ein Phänomen, das als Frame-Dragging bezeichnet wird", erklärte Nick Kaaz von der Northwestern University in einer am 20. September 2023 im Fachmagazin The Astrophysical Journal veröffentlichten Studie.

Darin untersuchten er und sein Team das Phänomen der sich selbst auffressenden schwarzen Löcher. Durch das Frame-Dragging entsteht in der Nähe des schwarzen Lochs ein sehr starker Effekt auf die Akkretionsscheibe – die Region, die ein schwarzes Loch umgibt. Je größer die Entfernung zum schwarzen Loch ist, desto schwächer der Effekt.

Bisher ging die Fachwelt davon aus, dass Akkretionsscheiben relativ geordnet sind. Gas und Teilchen würden sich in der gleichen Ebene und der gleichen Drehrichtung (Spin) wie das schwarze Loch selbst bewegen. Über Hunderte bis Hunderttausende von Jahren wandern die Gaspartikel demnach allmählich in das schwarze Loch hinein und füttern es. Doch woher sollen die Partikel wissen, in welche Richtung sie sich zu bewegen haben?

Die Akkretionsscheibe um ein schwarzes Loch ist hochkomplex

Das Forschungsteam konnte in einer hochmodernen Computersimulation zeigen, dass alles viel komplizierter ist. In dem Modell konnten die Forscher auch die Einwirkungen von Magnetfeldern, Gasdynamik und die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie einfließen lassen – was bei früheren Computermodellen wegen der geringeren Rechenleistung schwerer oder teils unmöglich war.

Im Umfeld eines schwarzen Lochs findet ein sich ständig wiederholender Zyklus von Fressen, Auffüllen und Fressen statt. Die Akkretionsscheibe ist der Nährboden, der ein schwarzes Loch füttert. Doch die Rotation des schwarzen Lochs zerreißt letztendlich die Akkretionsscheibe.

Die innere und äußere Akkretionsscheibe

Es gibt einen inneren und äußeren Teil der Akkretionsscheibe. Durch das Frame-Dragging wackelt die gesamte Scheibe in Kreisen – ähnlich wie bei einem Kreisel, der sich dreht. Doch die innere Scheibe will viel schneller wackeln als die äußeren Teile. Dieses Ungleichgewicht der Kräfte führt dazu, dass sich die gesamte Scheibe verformt und Gas aus verschiedenen Teilen der Scheibe zusammenstößt.

Die Kollisionen erzeugen Schocks, die das Material gewaltsam immer näher an das schwarze Loch herantreiben. Mit zunehmender Verwerfung wackelt die innerste Region der Akkretionsscheibe immer schneller, bis sie vom Rest der Scheibe abbricht. "Wenn die innere Scheibe abreißt, wird sie sich unabhängig bewegen. Sie bewegt sich schneller, weil sie näher am schwarzen Loch ist und weil sie klein ist, also leichter zu bewegen ist", erklärt Katz.

Der Fressrausch beginnt

Anstatt sich gleichmäßig zu bewegen wie eine flache Platte, die das schwarze Loch umgibt, wackeln die Teilscheiben unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln.

Die Reißregion – in der sich die inneren und äußeren Teilscheiben trennen – ist der Ort, an dem der Fressrausch wirklich beginnt. Während die Reibung versucht, die Scheibe zusammenzuhalten, will die Verdrehung der Raumzeit durch das rotierende schwarze Loch sie auseinanderreißen.

"Es besteht ein Wettbewerb zwischen der Rotation des schwarzen Lochs und der Reibung und dem Druck im Inneren der Scheibe. Im Bereich des Zerreißens gewinnt das schwarze Loch. Die inneren und äußeren Scheiben kollidieren miteinander. Die äußere Scheibe schabt Schichten der inneren Scheibe ab und drückt sie nach innen", erklärte der Studienleiter.


Durch die Rotation wird die Akkretionsscheibe verformt und manchmal in diskrete Teilscheiben zerreißt. In jeder Tafel ist eine 3D-Darstellung der Gasdichte dargestellt .(N. Kaaz, M. T. P. Liska, J. Jacquemin-Ide et al.).

Nun überschneiden sich die Teilscheiben in verschiedenen Winkeln. Die äußere Scheibe schüttet Material auf die innere Scheibe. Diese zusätzliche Masse schiebt auch die innere Scheibe in Richtung des schwarzen Lochs, wo sie verschlungen wird. Dann zieht die Schwerkraft des schwarzen Lochs Gas aus der äußeren Region in die jetzt leere innere Region und füllt sie wieder auf.

Das schwarze Loch frisst sich somit selbst auf. Diese Erkenntnis kann nicht nur das Verständnis von schwarzen Löchern verändern, sondern auch bei der Erforschung von Quasaren helfen – den hellsten kosmischen Objekten, bei denen es sich um aktive Galaxienkerne handelt.

Zur Studie

Im Fachmagazin The Astrophysical Journal erschien die Studie am 20. September 2023 unter dem Titel Nozzle shocks, disk tearing and streamers drive rapid accretion in 3D GRMHD simulations of warped thin disks (Düsenstöße, Scheibenrisse und Streamer treiben die schnelle Akkretion in 3D-GRMHD-Simulationen von verzogenen dünnen Scheiben an). Eine erste Version der Studie wurde am 18. Oktober 2022 auf dem Pre-Print-Server arxiv.org veröffentlicht.

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