Überprüfung der Rotation eines supermassereichen Schwarzen Lochs – Einsteins allgemeine Relativitätstheorie glänzt

Galaxy M87 schwarzes Loch Es zeigt einen oszillierenden Strahl, der seine Rotation bestätigt, wie aus einer zwei Jahrzehnte dauernden Studie hervorgeht, die mit den Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt.

Die nahe gelegene Radiogalaxie M87, die 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt und ein Schwarzes Loch enthält, das 6,5 Milliarden Mal größer als die Sonne ist, zeigt einen oszillierenden Fluss, der mit einer Amplitude von etwa 10 Grad auf und ab oszilliert, was die Existenz des Schwarzen bestätigt Loch. wickelt.

Die vom chinesischen Forscher Dr. Yuzhou Cui geleitete Studie wurde in veröffentlicht Natur Am 27. September wurde es von einem internationalen Team mithilfe eines globalen Netzwerks von Radioteleskopen durchgeführt.

Durch eine umfassende Analyse der Teleskopdaten von 2000 bis 2022 deckte das Forscherteam einen elfjährigen wiederkehrenden Zyklus in der Präzession der Basis des Jets auf, wie von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Studie verknüpft die Strömungsdynamik mit dem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch und liefert den Beweis dafür, dass das Schwarze Loch in M87 rotiert.

Phänomene supermassiver Schwarzer Löcher

Supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien – die instabilsten Himmelskörper in unserem Universum – können aufgrund ihrer außergewöhnlichen Gravitationskraft und Gravitationskraft riesige Mengen an Materie ansammeln. Plasma Die als Jets bezeichneten Ausflüsse erreichen Lichtgeschwindigkeit und erstrecken sich über Tausende von Lichtjahren.

Der Mechanismus der Energieübertragung zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und ihren Akkretionsscheiben und relativistischen Jets gibt Physikern und Astronomen seit mehr als einem Jahrhundert Rätsel auf. Die vorherrschende Theorie besagt, dass einem rotierenden Schwarzen Loch Energie entzogen werden könnte, wodurch ein Teil des Materials, das das supermassereiche Schwarze Loch umgibt, mit erheblicher Energie herausgeschleudert werden könnte. Der Spin supermassiver Schwarzer Löcher, ein entscheidender Faktor in diesem Prozess und neben der Masse des Schwarzen Lochs der wichtigste Parameter, wurde jedoch nicht direkt beobachtet.

Oberes Feld: M87-Jet-Struktur bei 43 GHz basierend auf halbjährlichen Stapeldaten, die von 2013 bis 2018 beobachtet wurden. Weiße Pfeile zeigen den Jet-Positionswinkel in jedem Unterdiagramm an. Unten: Am besten angepasste Ergebnisse basierend auf dem jährlich gestapelten Bild von 2000 bis 2022. Die grünen und blauen Punkte wurden aus Beobachtungen bei 22 GHz bzw. 43 GHz erhalten. Die rote Linie stellt die beste Anpassung gemäß dem Initiativenmodell dar. Bildnachweis: Yuzhou Cui et al., 2023

Konzentrieren Sie sich auf M87

In dieser Studie konzentrierte sich das Forschungsteam auf M87, wo 1918 der erste beobachtende astrophysikalische Jet beobachtet wurde. Dank seiner Nähe können die Jetbildungsregionen in der Nähe des Schwarzen Lochs mithilfe der Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) detailliert aufgelöst werden. Dies wird auch durch die Abbildung des Schattens des modernen Schwarzen Lochs mit dem Event Horizon Telescope (EHT) dargestellt. Durch die Analyse der VLBI-Daten von M87, die in den letzten 23 Jahren gesammelt wurden, entdeckte das Team periodische Vorläuferjets an seiner Basis und lieferte Einblicke in den Zustand des zentralen Schwarzen Lochs.

Dynamik und Relativität Schwarzer Löcher

Im Mittelpunkt dieser Entdeckung steht die entscheidende Frage: Welche Kraft im Universum könnte die Richtung eines so mächtigen Jets ändern? Die Antwort könnte im Verhalten der Akkretionsscheibe verborgen sein, einer Formation, die mit dem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch verbunden ist.

Während das fallende Material aufgrund seines Drehimpulses das Schwarze Loch umkreist, bildet es eine scheibenartige Struktur, bevor es sich allmählich spiralförmig nach innen dreht, bis es schicksalhaft in das Schwarze Loch hineingezogen wird. Wenn sich ein Schwarzes Loch jedoch dreht, übt es einen erheblichen Einfluss auf die es umgebende Raumzeit aus und führt dazu, dass Objekte in der Nähe entlang seiner Rotationsachse gezogen werden, ein Phänomen, das als „Frame Drag“ bekannt ist und in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde .

Die umfassende Analyse des Forschungsteams legt nahe, dass die Rotationsachse der Akkretionsscheibe von der Rotationsachse des Schwarzen Lochs abweicht, was zu einem Pre-Jet führt. Die Erkennung dieser Bewegung liefert den eindeutigen Beweis dafür, dass das supermassereiche Schwarze Loch in M87 tatsächlich rotiert, und verbessert unser Verständnis der Natur supermassereicher Schwarzer Löcher.

„Wir freuen uns über dieses wichtige Ergebnis“, sagte Yuzhou Cui, Postdoktorandin am Zhejiang Laboratory, einer Forschungseinrichtung in Hangzhou, und Hauptautorin der Studie. „Da die Fehlausrichtung zwischen dem Schwarzen Loch und der Scheibe relativ gering ist und die Präzessionsperiode etwa 11 Jahre beträgt, ist eine hochauflösende Datenerfassung zur Verfolgung der Struktur von M87 über zwei Jahrzehnte und eine umfassende Analyse erforderlich, um diesen Durchbruch zu erzielen.“

Dr. Kazuhiro Hada vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans fügte hinzu: „Nach der erfolgreichen Abbildung des Schwarzen Lochs in dieser Galaxie mittels EHT ist die Frage, ob dieses Schwarze Loch rotiert oder nicht, für Wissenschaftler zu einem großen Problem geworden.“ „Jetzt ist aus Vorfreude Gewissheit geworden. Dieses monströse Schwarze Loch dreht sich bereits.“

Zukünftige Beiträge und Implikationen

Diese Arbeit nutzte insgesamt 170 Beobachtungsepochen, die vom East Asia VLBI Network (EAVN), dem Very Long Baseline Array (VLBA), dem Joint Array of KVN and VERA (KaVA) und dem globalen East Asia to Italy erfasst wurden (ESSEN) Netzwerk. Insgesamt haben mehr als 20 Teleskope aus der ganzen Welt zu dieser Studie beigetragen.

Auch Chinas Radioteleskope trugen zu diesem Projekt bei, darunter das 65-Meter-Radioteleskop Tianma mit seiner riesigen Schüssel und der hohen Empfindlichkeit für Millimeterwellenlängen. Darüber hinaus verbessert ein 26-Meter-Radioteleskop in Xinjiang die Winkelauflösung von EAVN-Beobachtungen. Um diesen Erfolg zu erreichen, sind qualitativ hochwertige Daten mit hoher Empfindlichkeit und hoher Winkelauflösung unerlässlich.

„Das 40-Meter-Shigatse-Radioteleskop am Shanghai Astronomical Observatory wird die Millimeter-Bildgebungsfähigkeit des EAVN verbessern. Insbesondere das tibetische Plateau, auf dem sich das Teleskop befindet, verfügt über einen der besten Standortbedingungen für (Submillimeter-)Wellenlängenbeobachtungen.“ “, sagte Prof. Zhiqiang Chen, Direktor des Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und sagte: „Es entspricht unseren Erwartungen, heimische Einrichtungen für astronomische Beobachtungen zu stärken.“

Während diese Studie Licht auf die mysteriöse Welt supermassereicher Schwarzer Löcher wirft, stellt sie auch enorme Herausforderungen dar. Die Struktur der Akkretionsscheibe und die genaue Drehung des supermassiven Schwarzen Lochs M87 sind noch weitgehend ungewiss. Diese Arbeit sagt auch voraus, dass es mehr Quellen mit dieser Konfiguration geben wird, was für Wissenschaftler eine Herausforderung darstellt, sie zu entdecken.

Referenz: „Die Strahldüse verbindet sich mit einem rotierenden Schwarzen Loch in M87“ von Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R . Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao und Yi Zhong, 27. September 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6