The Black Hole Files with Camille Carlisle

Röntgenbeobachtungen tragen zu den wachsenden Beweisen bei, dass die massereichsten Schwarzen Löcher eine andere Vergangenheit haben als ihre leichtgewichtigen Kollegen.

Dieses zusammengesetzte Bild kombiniert Röntgen- (blau), sichtbare (weiß und getönt) und Radio- (rot) Beobachtungen, um den Quasar H1821+643 zu zeigen, der von einem supermassereichen Schwarzen Loch angetrieben wird. Er liegt mehr als 3 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Draco, dem Drachen. Röntgen: NASA / CXC / Univ. of Cambridge / J. Sisk-Reynés et al.; Funk: NSF/NRAO/VLA; Optisch: PanSTARRS

Astronomen haben den Spin eines der massereichsten Schwarzen Löcher im modernen Universum gemessen. Die Ergebnisse stützen die Idee, dass solche Schwarzen Löcher anders gewachsen sind als ihre kleineren Geschwister.

Der Spin ist einer von zwei Parametern, die ein Schwarzes Loch beschreiben (der andere ist die Masse), und er enthält Schlüsselinformationen über die Vergangenheit eines Schwarzen Lochs. Gravitationswellennachweise zeigen zum Beispiel, dass sich Schwarze Löcher, die durch die Verschmelzung zweier kleinerer entstanden sind, mit etwa 70 % ihrer maximalen Geschwindigkeit drehen, während solche, die direkt aus Sternen entstanden sind, viel langsamer rotieren. (Lesen Sie unsere Fragen und Antworten, um herauszufinden, was Spin-Prozentsätze bedeuten.)

Aber supermassive Schwarze Löcher sind komplizierter als die sternengroße Beute, die von LIGO und seinen Kohorten gejagt wird. Diese Leviathaner müssen über einen längeren Zeitraum viel gefressen haben, um ihre jetzige Größe zu erreichen.

Frühere Studien haben herausgefunden, dass sich Objekte mit Millionen oder zig Millionen Sonnenmassen normalerweise fast so schnell wie möglich drehen (mindestens 90 % des Maximums). Das ist zu erwarten, wenn das Schwarze Loch regelmäßig seine Mahlzeit von einer langlebigen, umgebenden Scheibe schlürft. Selbst kräftigere Schwarze Löcher neigen jedoch dazu, sich langsamer und mit einem größeren Geschwindigkeitsbereich zu drehen, was auf eine abwechslungsreichere Geschichte hindeutet.

Júlia Sisk-Reynés (University of Cambridge, UK) und andere haben nun weitere Beweise zu dieser gespaltenen Geschichte supermassiver Schwarzer Löcher hinzugefügt. Unter Verwendung von archivierten Röntgenbeobachtungen, die vor 21 Jahren mit dem Chandra-Röntgenobservatorium gesammelt wurden, maßen die Astronomen das Licht, das von der Innenkante des großen Tutu aus Gas reflektiert wurde, das das Schwarze Loch umgibt, das den Quasar H1821+643 antreibt. Der Quasar liegt in einem Galaxienhaufen, der mehr als 3 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, und mit einer Masse zwischen 3 und 30 Milliarden Sonnen (Schätzungen variieren) ist sein zentrales Schwarzes Loch eines der massereichsten Schwarzen Löcher, die wir kennen.

Die reflektierten Röntgenstrahlen ermöglichten es den Forschern, die Breite des Spalts zwischen dem inneren Rand der Gasscheibe und dem Schwarzen Loch zu messen. Ein sich drehendes Schwarzes Loch zieht seine Scheibe fest um sich herum, und wie nah die Scheibe dem Ereignishorizont kommt, zeigt, wie schnell das Schwarze Loch wirbelt. Die Röntgendaten deuten darauf hin, dass sich das Schwarze Loch von H1821+643 zwischen 25 % und 84 % seines Maximums dreht, mit einem höchstwahrscheinlichen Wert von 62 %.

Das Wichtige, was hier zu beachten ist, ist nicht der spezifische Wert von 62%, sondern dass diese Drehung viel langsamer ist als die schnellen Wirbel von Schwarzen Löchern, die ein Tausendstel so groß sind.

Sammlung von Datenpunkten, die die Beziehung zwischen der Masse eines Schwarzen Lochs und seinem Spin zeigenMithilfe von Röntgenreflexionen haben Astronomen die Spins von fast drei Dutzend supermassereichen Schwarzen Löchern geschätzt, die hier gezeigt werden. Schwarze Löcher von Millionen oder zig Millionen Sonnen – ähnlich dem zentralen Schwarzen Loch unserer eigenen Galaxie – neigen dazu, sich fast so schnell wie möglich zu drehen. Aber bei höheren Massen haben Schwarze Löcher eine Reihe von Drehungen, die meistens viel niedriger sind als ihre kleineren Brüder. Die neue Messung (roter Stern) stimmt mit dem Muster überein. J. Sisk-Reynés et al. / Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society 2022

Eine Erklärung für die Diskrepanz ist, dass die kräftigsten Schwarzen Löcher eine kompliziertere Geschichte haben als ihre kleineren Brüder. Gas, das von einer langlebigen Scheibe austritt, würde immer aus der gleichen Richtung auf das Schwarze Loch strömen und das Schwarze Loch aufwirbeln wie ein Wasserball, der von Wasser aus einem Schlauch flüchtig getroffen wird. Das Schwarze Loch von H1821+643 hat eindeutig eine Gasscheibe, aber angesichts seiner Drehung kann das Schwarze Loch nicht seit Millionen von Jahren von derselben Scheibe gefressen haben.

Der Verdacht ist, dass so schwere Objekte wie dieses stattdessen „episodische“ Scheiben haben, die aus einer großen Gaswolke gebildet wurden, die auf einer zufälligen Flugbahn hereinkam, erklärt Co-Autor James Matthews (Universität Cambridge, Großbritannien). Diese Scheibe würde vielleicht ein paar hunderttausend Jahre bestehen bleiben, den Leviathan füttern und seine Rotation beeinflussen. Aber die nächste sich bildende Scheibe könnte eine völlig andere Ausrichtung haben und der Drehung des Schwarzen Lochs ihre eigene Note verleihen. Fügen Sie dieser willkürlichen Geschichte eine oder mehrere Verschmelzungen mit anderen großen Schwarzen Löchern hinzu, und das endgültige Objekt könnte sich auf viele verschiedene Arten drehen.

All dies hat auch einen größeren Umwelteffekt: Die größten Schwarzen Löcher befinden sich in der Regel in den größten Galaxien. Simulationen der Entwicklung von Galaxien und Schwarzen Löchern weisen auf einen weniger geordneten Materialfluss in diesen Galaxien hin, was möglicherweise erklärt, warum die Akkretion der Leviathaner willkürlich erfolgt.

Bezug

J. Sisk-Reynés et al. „Beweise für einen moderaten Spin aus der Röntgenreflexion des massereichen supermassereichen Schwarzen Lochs im Cluster-gehosteten Quasar H1821+643.“ Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. August 2022.

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