Die besondere Gefräßigkeit mancher Schwarzer Löcher

Ein Quasar ist ein astronomisches Phänomen, zentriert um ein supermassereiches Schwarzes Loch, welches umgebende Materie aktiv absorbiert. Die Helligkeit von Quasaren, die oft stark schwankt, war lange ein Mysterium für Wissenschaftler. 

Jüngste Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Fluktuationen durch das komplexe Zusammenspiel der Akkretionsscheibe, einschließlich Störungen durch Magnetfelder und periodischen Materieeinfall aus ihrer galaktischen Umgebung, verursacht werden.

Quasare und ihre Akkretionsscheiben

Ein relativistischer Effekt ermöglicht es einigen Schwarzen Löchern, Materie ungewöhnlich schnell zu konsumieren. Die Rotation dieser Objekte verursacht eine räumliche Verzerrung, die die umliegende Akkretionsscheibe aus heißem Gas teilt und so einen raschen Materiesturz in das gravitative Zentrum fördert. 

Dieses Phänomen wurde durch eine von US-amerikanischen und niederländischen Forschern durchgeführte Studie im September 2023 mittels Computersimulationen aufgedeckt und könnte die schnellen Helligkeitsschwankungen einiger Quasare erklären.

Kerne weit entfernter Galaxien beherbergen Schwarze Löcher, deren Masse das Millionen- oder Milliardenfache unserer Sonne beträgt. Die von ihnen angezogene Materie bildet eine rotierende Akkretionsscheibe. 

Durch die Reibung in dieser Scheibe wird das Gas stark erhitzt und strahlt helles Licht aus, das die umgebende Galaxie um ein Tausendfaches überstrahlen kann. Vom inneren Rand der Scheibe wird kontinuierlich Gas in das Schwarze Loch gezogen, wodurch es allmählich an Masse zunimmt.

Obwohl Akkretionsscheiben oft als dünn und symmetrisch angenommen werden, zeigt die Realität eine komplexere Dynamik. Insbesondere muss die Annahme, dass das Gas ausschließlich in der Äquatorebene des Schwarzen Lochs rotiert, hinterfragt werden, da das zuströmende Gas ursprünglich keine Kenntnis von der Rotationsachse des Lochs hat.

Die Herausforderung: Schnelle Helligkeitswechsel

Während das etablierte Modell zahlreiche Aspekte der Quasare erläutert, stößt es bei solchen, die ihre Helligkeit innerhalb kurzer Zeitspannen, oft Monate, dramatisch ändern, an seine Grenzen. Es erscheint, als ob der innere Teil der Akkretionsscheibe komplett zerfällt und daraufhin neu geformt wird, ein Vorgang, der mit dem traditionellen Modell schwer zu fassen ist.

Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass extrem starke magnetische Aktivitäten oder das episodische Einfangen von Sternenmaterial durch das Schwarze Loch zu diesen schnellen Veränderungen führen könnten. Diese Prozesse ermöglichen eine rapide Erneuerung der Akkretionsscheibe, was die beobachteten abrupten Helligkeitsschwankungen erklärt.

Neue Erkenntnisse durch Computersimulationen

Wissenschaftler haben mithilfe von Supercomputern eine Neigung der Akkretionsscheibe um 65 Grad zur Äquatorebene eines Schwarzen Lochs simuliert und dabei ein bisher unbekanntes Phänomen beobachtet. 

Aufgrund der Raumzeitverzerrung durch die Rotation des Schwarzen Lochs, ein Schlüsselaspekt der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein, beginnt die Akkretionsscheibe ausgeprägt zu torkeln. Dieses Taumeln ist nahe dem Schwarzen Loch stärker ausgeprägt als in den äußeren Bereichen, was zur Spaltung der Scheibe in zwei Teile führt.

Diese nun separierten inneren und äußeren Scheiben rotieren unabhängig voneinander, stoßen jedoch an ihren Rändern zusammen, was zu einem intensiven Massentransfer führt. Infolgedessen wird das Gas der inneren Scheibe schnell in das Schwarze Loch gezogen und vollständig verschlungen. Dies führt zum plötzlichen Erlöschen der inneren Scheibe, was die raschen Helligkeitsänderungen bei einigen Quasaren erklärt.

Wiederaufleben des Quasars

Nachdem ein Quasar zeitweise erloschen scheint, wird der leere innere Bereich erneut mit Gas aus der äußeren Scheibe gefüllt, wodurch sich eine neue Akkretionsscheibe formiert. Der Quasar erhellt sich langsam wieder und der Vorgang wiederholt sich. 

Die Computersimulationen geben eine detaillierte Darstellung dieses zyklischen Verhaltens einiger Quasare, was durch klassische Theorien bislang nicht ausreichend erklärt werden konnte. Diese traditionellen Ansätze scheitern oft daran zu erklären, warum die innere Scheibe verschwindet und wie sie sich so rasch neu formieren kann.

Ausblick und weitere Forschung

Bislang haben Wissenschaftler dieses Phänomen lediglich in einer Simulation beobachtet, die auf einer spezifischen Konfiguration von Schwarzem Loch und Akkretionsscheibe basiert. 

Um die Verallgemeinerbarkeit dieser Ergebnisse zu prüfen, sind zusätzliche Simulationen notwendig, die unterschiedliche Massen von Schwarzen Löchern und verschiedene Neigungswinkel der Akkretionsscheiben berücksichtigen. Diese Forschungsarbeit ist entscheidend, um zu verstehen, unter welchen spezifischen Umständen Quasare ihre Helligkeit derart rapide ändern können.

Schlussgedanken: Das dynamische Universum und seine Mysterien

Die jüngsten Entdeckungen im Bereich der Quasare werfen ein neues Licht auf die Dynamik im Universum und zeigen, wie komplex die Interaktionen im kosmischen Maßstab sind.

Die Beobachtung der schnellen Helligkeitswechsel einiger Quasare und deren Erklärung durch die neuen Computersimulationen liefern faszinierende Einblicke in die Vorgänge um supermassereiche Schwarze Löcher.