Die besondere Gefräßigkeit mancher Schwarzer Löcher

Ein Quasar besteht aus einem gewaltigen supermassereichen Schwarzen Loch, in das Materie „hineinstürzt“.

Lange rätselten Astronomen über Quasare mit dramatisch wechselnder Helligkeit. Nun haben Forscher eine Erklärung für das Phänomen gefunden.

Das Wichtigste in Kürze

  • Rotierende Schwarze Löcher: Durch ihre Rotation ziehen Schwarze Löcher den Raum um sich herum mit, was zu einer Zerreißung der sie umgebenden Akkretionsscheibe in zwei Teile führt.
  • Schneller Materiefall: Dieser Effekt verursacht einen schnelleren Fall von Materie in das Schwarze Loch, was zu einem plötzlichen Verlust der Helligkeit des Quasars führt.
  • Wiederaufleben der Helligkeit: Nach einer gewissen Zeit entsteht eine neue Akkretionsscheibe, und der Quasar wird allmählich wieder heller.

Quasare und ihre Akkretionsscheiben

Ein relativistischer Effekt hilft manchen Schwarzen Löchern dabei, schneller Materie zu verschlingen als bislang vermutet: Bei ihrer Rotation ziehen sie den umgebenden Raum mit sich, reißen so die sie umgebende Scheibe aus heißem Gas in zwei Teile und sorgen auf diese Weise für einen schnelleren Fall der Materie in ihren Schwerkraft-Rachen.

Dies hat ein Forschungsteam aus den USA und den Niederlanden nach Computersimulationen im September 2023 berichtet. Dies könne erklären, warum manche Quasare innerhalb von Monaten ihre Helligkeit dramatisch ändern.

Das Auseinanderreißen eines Sterns durch ein supermassereiches Schwarzes Loch (Illustration)
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Quasare sind Schwarze Löcher mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse unserer Sonne in den Zentren ferner Galaxien. Von außen zuströmendes Gas bildet eine rotierende Scheibe – von Astronomen „Akkretionsscheibe“ genannt – um das Schwarze Loch.

Durch Reibung erhitzt sich das Gas in dieser Scheibe und leuchtet hell auf. Deshalb senden Quasare bis zu tausendmal mehr Licht aus als die sie umgebende Galaxie. Vom inneren Rand der Scheibe strömt Gas in das Schwarze Loch hinein und lässt es so langsam anwachsen.

In der traditionellen Beschreibung sind solche Akkretionsscheiben dünn und axialsymmetrisch. Insbesondere rotieren demnach die Gasscheiben in der Äquatorebene des Schwarzen Lochs – denn das vereinfacht die Berechnung der Gasströmungen.

Doch das Gas, das von außen auf ein Schwarzes Loch zuströmt, weiß nicht, wie dieses sich dreht. Warum also soll es sich gerade in der Äquatorebene ansammeln?

Die Herausforderung: Schnelle Helligkeitswechsel

Und während das einfache Modell zwar erfolgreich einen großen Teil der Quasare erklären kann, scheitert es an solchen, die ihre Helligkeit schnell verändern. Diese Objekte ändern sich oft auf der Skala von Monaten dramatisch.

Es sieht so aus, als würde der innere Teil der Akkretionsscheibe vollkommen zerstört und anschließend neu befüllt. Mit dem klassischen Modell der Akkretionsscheiben lässt sich so etwas nicht erklären.

Neue Erkenntnisse durch Computersimulationen

Die Wissenschaftler gingen nun einen neuen Weg: Mithilfe eines Supercomputers simulierten sie eine Akkretionsscheibe, die stark – um 65 Grad – gegen die Äquatorebene eines Schwarzen Lochs geneigt ist. Dabei zeigte sich ein unerwartetes, komplett neues Phänomen.

Da das Schwarze Loch bei seiner Rotation gemäß den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein den Raum um sich herum mitzieht, beginnt die Akkretionsscheibe zu torkeln – und zwar nahe am Schwarzen Loch stärker als weiter außen. Dieser Unterschied wird schließlich so groß, dass die Scheibe in zwei Teile zerreißt.

Die innere und die äußere Scheibe taumeln nun unabhängig voneinander um das Schwarze Loch. Dabei prallen sie an ihren Rändern immer wieder aneinander, was zu einem starken Massenzufluss von der äußeren auf die innere Scheibe führt.

Als Folge davon stürzt das Gas der inneren Scheibe erheblich schneller in das Schwarze Loch – so schnell, dass sie völlig zerstört wird. Dabei verschwindet die innere Scheibe komplett. Und damit erlischt die Helligkeit des Quasars, und zwar genau so, wie es bei den schnell veränderlichen Quasaren beobachtet wird.

Das Zerreißen der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs in zwei Teilscheiben (Simulation)
Copyright: Nick Kaaz/Northwestern University

Wiederaufleben des Quasars

Nachdem der Quasar scheinbar erloschen ist, strömt jedoch weiter Gas aus der äußeren Scheibe in den nun leeren inneren Bereich hinein – dort entsteht eine neue Akkretionsscheibe. Der Quasar wird also langsam wieder heller und der ganze Prozess beginnt von vorn.

Die Computersimulation beschreibt vollständig das bei manchen Quasaren beobachtete Verhalten. Die konventionelle Theorie dagegen bietet weder eine Erklärung dafür, warum die innere Scheibe überhaupt verschwindet, noch dafür, wie sie so schnell neu entstehen kann.

Ausblick und weitere Forschung

Allerdings haben die Wissenschaftler dieses Phänomen bislang nur in einer einzigen Simulation mit einer vorher festgelegten Konfiguration von Schwarzem Loch und Akkretionsscheibe zeigen können.

Es sind nun viele weitere Simulationen mit unterschiedlichen Massen der Schwarzen Löcher und unterschiedlichen Neigungswinkeln der Akkretionsscheiben nötig. Nur so kann man herausfinden, in welchen Situationen sich die Helligkeit von Quasaren derart schnell verändern kann.

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.

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