Schwarzes Loch setzt Dent In Space-Zeit

Ein sich drehendes schwarzes Loch im Sternbild Scorpius hat eine stabile Beule in der Raumzeit geschaffen, sagen Wissenschaftler.

Die Beule ist die Art von Dingen, die Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Es beeinflusst die Bewegung der Materie, die in das Schwarze Loch fällt.

Die Raumzeit-Delle ist unsichtbar, aber die Wissenschaftler folgerten ihre Existenz, nachdem sie zwei Röntgenfrequenzen aus dem Schwarzen Loch entdeckt hatten, die mit den Emissionen identisch waren, die vor neun Jahren notiert wurden. Der Befund wird es Wissenschaftlern ermöglichen, den Spin des Schwarzen Lochs zu berechnen, eine entscheidende Messung, die notwendig ist, um das Verhalten des Objekts zu beschreiben.

Blinkende Röntgenstrahlen

Schwarze Löcher bilden sich, wenn sehr massereichen Sternen der Treibstoff ausgeht. Ihre Kerne implodieren zu einem Punkt unendlicher Dichte und ihre äußeren Schichten werden in einer mächtigen Supernova-Explosion weggeblasen. Innerhalb einer theoretischen Grenze, die Ereignishorizont genannt wird, ist die Schwerkraft des Schwarzen Lochs so stark, dass nichts, einschließlich Licht, entkommen kann.

Die vom Forscherteam detektierten Röntgenfrequenzen kamen von außerhalb des Ereignishorizonts von GRO J1655-40, einem etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernten Schwarzen Loch. Es ist etwa sieben Mal massiver als die Sonne und saugt Gas von einem nahen Begleitstern ab.

GRO J1655-40 wird kurzzeitig intensiven Röntgenemissionen ausgesetzt, gefolgt von längeren Perioden vergleichender Ruhe. Wissenschaftler glauben, dass dieses blinkende Muster der Röntgenaktivität damit zusammenhängt, wie sich Materie um das Schwarze Loch ansammelt.

Gas, das vom Begleitstern abgesaugt wird, baut sich ständig in einer Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch auf. Dieser Prozess dauert mehrere Jahre an. Während die Akkumulation stattfindet, verbraucht das Schwarze Loch sehr wenig Gas von der Scheibe.

Alle paar Jahre jedoch, etwas - Wissenschaftler sind sich nicht sicher, was - löst ein plötzliches Binge-Fest seitens des Schwarzen Lochs aus, was dazu führt, dass es den größten Teil der Materie in der Scheibe innerhalb von nur wenigen Monaten verschlingt.

Schwarze Löcher emittieren während dieser Perioden erhöhter Aktivität millionenfach mehr Röntgenstrahlen als wenn sie ruhig sind.

In den letzten Jahren hat der Rossi X-ray Timing Explorer der NASA zweimal 1996, 2005 und 2005 zweimal GRO J1655-40 aufgenommen. Unter den 1996 beobachteten Röntgenfrequenzen war eine bei 450 Hz und eine bei 300 Hz. Diese beiden Frequenzen wurden 2005 erneut beobachtet.

Dies war überraschend, denn bei den Röntgenemissionen sind Schwarze Löcher für ihre Stabilität nicht bekannt. Röntgenstrahlen werden von Teilchen aus überhitztem Gas emittiert, wenn sie in ein schwarzes Loch hineinwirbeln und aneinander reiben. Die Helligkeit und die Frequenz, mit der die Röntgenstrahlen flackern, variieren jedoch von Moment zu Moment, da die Geschwindigkeit, mit der das schwarze Loch das Gas verbraucht, nicht konstant ist.

Daher deutet die Entdeckung von zwei stabilen Frequenzen im Abstand von neun Jahren darauf hin, dass sie nicht durch Fluktuationen im Gasverbrauch des Schwarzen Lochs verursacht werden, sondern durch etwas anderes.

"Da es sehr schwierig ist, Gas zu bekommen, um sich gleich zweimal zu verhalten, wird stark argumentiert, dass diese Frequenzen durch die Masse und den Spin des Schwarzen Lochs verankert sind, fundamentale Eigenschaften des Schwarzen Lochs selbst", so Co-Autor Jon Miller von der Universität von Michigan hat erzählt.

Weil das Schwarze Loch so massiv ist und sich so schnell dreht, verzieht es die Raumzeit um es herum.

Freizeit

Während Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie entwickelte, kombinierte er die drei Dimensionen des Raumes und die eine Dimension der Zeit zu einem einzigen nützlichen Konzept, das er Raumzeit nannte.

Spacetime kann man sich als eine elastische Folie vorstellen, die sich unter dem Gewicht der darauf platzierten Objekte biegt. Je massereicher das Objekt ist, desto mehr Raumzeit biegt sich. Wenn sich das massive Objekt ebenfalls dreht, bewirkt es, dass sich die Raumzeit nicht nur verbiegt, sondern auch dreht. Wissenschaftler nennen diesen Effekt "Rahmen ziehen".

Die verdrehte Raumzeit lässt Gas in ein schwarzes Loch fallen, um sich auf bestimmte Weise zu bewegen. Das Phänomen kann grob mit der Bewegung einer Nadel auf einem Plattenspieler verglichen werden: Wenn sich die Nadel entlang einer geätzten Rille auf einer Platte bewegt, erzeugt sie einen Ton, dessen genaue Natur durch physikalische Verformungen in der Rille selbst bestimmt wird.

In ähnlicher Weise hat das Schwarze Loch stabile Verformungen im Gewebe der Raumzeit geschaffen, die Materie beeinflussen, die sich um es herum bewegt. Gas, das sich um das schwarze Loch wirbelt, wirkt wie die Schallplattennadel, erzeugt aber bestimmte Klänge, statt spezifische Klänge zu erzeugen.

Zwei Gipfel

Wissenschaftler glauben, dass Gaspartikel, die sich in einer verzogenen Raumzeit in der Nähe des Schwarzen Lochs bewegen, zwei Arten von Bewegungen aufweisen, von denen jede zu einer einzigartigen Frequenz führt. Eine Bewegung ist die orbitale Bewegung des Gases um das Schwarze Loch. Dies erzeugt die Frequenz von 450 Hz. Die niedrigere Frequenz von 300 Hz wird durch das leichte Wackeln des Gases aufgrund der Raumzeitdeformationen verursacht.

"Wenn die Raumzeit nicht gekrümmt wäre, würden wir wahrscheinlich nur einen Peak sehen", sagte Studienkoautor Jeroen Homan vom Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung am MIT.

Wissenschaftler glauben, dass alle rotierenden schwarzen Löcher zwei stabile Frequenzen emittieren und dass die Frequenzen eng mit der Masse und dem Spin des Schwarzen Lochs verbunden sind.

Die Masse von GRO J1655-40 wurde bereits basierend auf Beobachtungen der Umlaufbahn des Begleitsterns berechnet. Die fehlende Information war die Drehgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs. Die neuen Häufigkeitsergebnisse helfen, dieses Problem zu lösen.

"Wir können jetzt damit beginnen, den Spin zu bestimmen und somit das Schwarze Loch zum ersten Mal vollständiger zu beschreiben", sagte Miller.

Die Entdeckung wurde Anfang dieses Monats bei einem Treffen der American Astronomical Society bekannt gegeben.