Wie Strudel im Ozean erzeugen wirbelnde schwarze Löcher im Weltall einen Sturzbach um sie herum. Schwarze Löcher erzeugen jedoch keine Wind- oder Wasserwirbel. Sie erzeugen vielmehr auf Hunderte Millionen Grad erhitzte Gas- und Staubscheiben, die im Röntgenlicht leuchten.
Mithilfe von Daten aus dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA und Zufallsausrichtungen über Milliarden von Lichtjahren hinweg haben Astronomen eine neue Technik entwickelt, um den Spin von fünf supermassiven Schwarzen Löchern zu messen. Die Materie in einem dieser kosmischen Wirbel wirbelt mit mehr als 70% der Lichtgeschwindigkeit um sein Schwarzes Loch.
Die Astronomen nutzten ein natürliches Phänomen, das Gravitationslinse genannt wurde. Mit genau der richtigen Ausrichtung kann die Biegung der Raum-Zeit durch ein massives Objekt, wie z. B. eine große Galaxie, mehrere Bilder eines entfernten Objekts vergrößern und erzeugen, wie von Einstein vorhergesagt.
In dieser neuesten Studie verwendeten Astronomen Chandra und Gravitationslinsen, um sechs Quasare zu untersuchen, die jeweils aus einem supermassiven Schwarzen Loch bestehen, das schnell Materie von einer umgebenden Akkretionsscheibe verbraucht. Durch die Gravitationslinse des Lichts von jedem dieser Quasare durch eine dazwischenliegende Galaxie wurden mehrere Bilder von jedem Quasar erzeugt, wie diese Chandra-Bilder von vier der Ziele zeigen. Die scharfe Abbildungsfähigkeit von Chandra ist erforderlich, um die mehreren Linsenbilder jedes Quasars zu trennen.
Der entscheidende Fortschritt der Forscher in dieser Studie bestand darin, dass sie die „Mikrolinse“ nutzten, bei der einzelne Sterne in der dazwischenliegenden Linsengalaxie das Licht des Quasars zusätzlich vergrößerten. Höhere Vergrößerung bedeutet, dass ein kleinerer Bereich die Röntgenemission erzeugt.
Die Astronomen nutzten ein natürliches Phänomen, das Gravitationslinse genannt wurde. Mit genau der richtigen Ausrichtung kann die Biegung der Raum-Zeit durch ein massives Objekt, wie z. B. eine große Galaxie, mehrere Bilder eines entfernten Objekts vergrößern und erzeugen, wie von Einstein vorhergesagt.
In dieser neuesten Studie verwendeten Astronomen Chandra und Gravitationslinsen, um sechs Quasare zu untersuchen, die jeweils aus einem supermassiven Schwarzen Loch bestehen, das schnell Materie von einer umgebenden Akkretionsscheibe verbraucht. Durch die Gravitationslinse des Lichts von jedem dieser Quasare durch eine dazwischenliegende Galaxie wurden mehrere Bilder von jedem Quasar erzeugt, wie diese Chandra-Bilder von vier der Ziele zeigen. Die scharfe Abbildungsfähigkeit von Chandra ist erforderlich, um die mehreren Linsenbilder jedes Quasars zu trennen.
Der entscheidende Fortschritt der Forscher in dieser Studie bestand darin, dass sie die „Mikrolinse“ nutzten, bei der einzelne Sterne in der dazwischenliegenden Linsengalaxie das Licht des Quasars zusätzlich vergrößerten. Höhere Vergrößerung bedeutet, dass ein kleinerer Bereich die Röntgenemission erzeugt.
Die Forscher nutzten dann die Eigenschaft, dass ein rotierendes Schwarzes Loch den Raum mit sich herumzieht und die Materie näher an das Schwarze Loch heranreicht, als dies für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch möglich ist. Daher impliziert ein kleinerer Emissionsbereich, der einer engen Umlaufbahn entspricht, im Allgemeinen ein schneller rotierendes Schwarzes Loch. Die Autoren folgerten aus ihrer Mikrolinsenanalyse, dass die Röntgenstrahlen aus einem so kleinen Bereich stammen, dass sich die Schwarzen Löcher schnell drehen müssen.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich eines der Schwarzen Löcher im Linsenquasar mit der Bezeichnung „Einsteinkreuz“ mit der maximal möglichen Geschwindigkeit oder fast mit dieser Geschwindigkeit dreht. Dies entspricht dem Ereignishorizont, dem Punkt ohne Wiederkehr des Schwarzen Lochs, der sich mit Lichtgeschwindigkeit dreht, was ungefähr 670 Millionen Meilen pro Stunde entspricht. Vier weitere schwarze Löcher in der Probe drehen sich durchschnittlich mit etwa der Hälfte dieser Maximalrate. (Der 6. ermöglichte keine Schätzung des Spins.)
Für das Einsteinkreuz stammt die Röntgenstrahlung von einem Teil der Scheibe, der weniger als das 2,5-fache des Ereignishorizonts beträgt, und für die anderen 4 Quasare stammen die Röntgenstrahlen aus einem Bereich, der vier- bis fünfmal so groß ist die Größe des Ereignishorizonts.
Wie können sich diese Schwarzen Löcher so schnell drehen? Die Forscher glauben, dass diese supermassiven Schwarzen Löcher wahrscheinlich durch Ansammlung eines Großteils ihres Materials über Milliarden von Jahren aus einer Akkretionsscheibe entstanden sind, die sich mit einer ähnlichen Orientierung und Drehrichtung dreht, anstatt aus zufälligen Richtungen. Wie ein Karussell, das immer weiter in die gleiche Richtung geschoben wird, nahmen die schwarzen Löcher immer mehr Fahrt auf.
Die von Chandra detektierten Röntgenstrahlen werden erzeugt, wenn die das Schwarze Loch umgebende Akkretionsscheibe über der Scheibe in der Nähe des Schwarzen Lochs eine Multimillionengradwolke oder Korona erzeugt. Röntgenstrahlen dieser Korona werden vom inneren Rand der Akkretionsscheibe reflektiert, und die starken Gravitationskräfte in der Nähe des Schwarzen Lochs verzerren das reflektierte Röntgenspektrum, dh die Anzahl der bei verschiedenen Energien beobachteten Röntgenstrahlen. Die großen Verzerrungen in den Röntgenspektren der hier untersuchten Quasare deuten darauf hin, dass sich der innere Rand der Scheibe in der Nähe der Schwarzen Löcher befinden muss, was darauf hindeutet, dass sie sich schnell drehen müssen.
Die Quasare befinden sich in Entfernungen zwischen 8,8 und 10,9 Milliarden Lichtjahren von der Erde, und die schwarzen Löcher haben Massen zwischen dem 160- und 500-Millionen-fachen der Sonne. Diese Beobachtungen waren die längsten, die jemals mit Chandra von Quasaren mit Gravitationslinsen gemacht wurden, mit Gesamtbelichtungszeiten zwischen 1,7 und 5,4 Tagen.
Ein Papier, welches diese Ergebnisse beschreibt, ist in der 2. Juli nd The Astrophysical Journal Ausgabe und ist online verfügbar . Die Autoren sind Xinyu Dai, Shaun Steele und Eduardo Guerras von der University of Oklahoma in Norman, Oklahoma, Christopher Morgan von der United States Naval Academy in Annapolis, Maryland, und Bin Chen von der Florida State University in Tallahassee, Florida.
Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, verwaltet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, kontrolliert Chandras Wissenschafts- und Flugbetrieb.
Lesen Sie mehr vom Chandra Röntgenobservatorium der NASA.
Weitere Chandra-Bilder, Multimedia- und verwandte Materialien finden Sie unter: http://www.nasa.gov/chandra
Quelle Titelbild: Bildnachweis: NASA / CXC / Univ. von Oklahoma / X. Dai et al
via: Spinning Black Holes across Cosmic Sea spotted by NASA’s Chandra X-ray Observatory