Computermodell erklärt Beobachtungen am schwarzen Loch von M87

Im Zentrum der Galaxie M87 befindet sich ein schwarzes Loch von 6,5 Milliarden Sonnen­massen. Es stößt mit nahezu Licht­geschwin­dig­keit einen Plasma­strahl aus, einen relati­vis­tischen Jet, der 6000 Lichtjahre lang ist. Die Energie für diesen Jet stammt wahr­schein­lich aus der Anziehungs­kraft des schwarzen Lochs, doch wie genau ein solcher Jet entsteht und was ihn über diese riesige Entfernung hin stabilisiert, ist bisher noch nicht verstanden. Klar ist: Der Jet wird aus dem Zentrum der spiral­förmigen Akkretions­scheibe des schwarzen Lochs ausge­stoßen. Diese Region model­lierten jetzt sehr detail­reich Forscher der Uni Frankfurt zusammen mit Wissen­schaftlern aus Europa, den USA und China.

Dabei nutzten sie dreidimensionale Super­computer-Simu­la­tionen, die pro Simu­la­tion eine Million CPU-Stunden benötigten und gleich­zeitig die Gleichungen der Allgemeinen Relativitäts­theorie, die Maxwell-Gleichungen des Elektro­magnetismus und die Euler-Gleichungen der Strömungs­mechanik inte­grieren mussten. Das Ergebnis ist ein Modell, bei dem die berechneten Werte für Temperaturen, Materie­dichten und Magnet­feldern in hohem Maße mit den Werten über­ein­stimmten, die aus den astro­no­mischen Beob­ach­tungen errechnet wurden.

Auf dieser Basis gelang es den Wissen­schaftlern, die komplexe Strahlungs­bewegung in der gekrümmten Raumzeit im innersten Bereich des Jets zu model­lieren und in Bilder des Radio­wellen­spektrums zu übersetzen. Diese computer­model­lierten Bilder konnten sie nun mit den Beobachtungen vergleichen, die während der vergangenen drei Jahrzehnte mit zahlreichen Radio­teleskopen und Satelliten gemacht wurden.

„Unser theoretisches Modell der elektro­magnetischen Emission und der Jet-Morpho­logie von M87 stimmt über­raschend gut mit den astro­no­mischen Beob­ach­tungen des Jets überein, und zwar im infra­roten, im optischen und im Röntgen­spektrum“, erklärt Alejandro Cruz-Osorio von der Uni Frankfurt. „Daraus folgern wir, dass das super­massive Schwarze Loch wahr­schein­lich stark rotiert und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch die Teilchen so stark beschleunigt werden, dass sie diesen Jet über Tausende von Licht­jahren bilden.”

„Dass die von uns berechneten Bilder den astro­no­mischen Beob­ach­tungen so nahe­kommen, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass Einsteins Allgemeine Relati­vitäts­theorie die genaueste und natür­lichste Erklärung für die Existenz super­masse­reicher schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien ist“, ergänzt Luciano Rezzolla von der Uni Frankfurt. „Zwar lassen unsere Berechnungen immer noch Raum für alter­native Erklärungs­modelle, doch durch die Ergebnisse unserer Arbeit wird dieser Raum deutlich kleiner.”

GUF / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Cruz-Osorio et al.: State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet, Nat. Astron., online 4. November 2021; DOI: 10.1038/s41550-021-01506-w
• Relativistische Astrophysik (Luciano Rezzolla), Institut für theoretische Physik, Goethe-Universität Frankfurt