Schwarze Löcher: Magnetfelder als Windmaschine

Ob stellares schwarzes Loch mit zehnfacher Sonnen­masse oder super­masse­reiches schwarzes Loch mit milliarden­facher Sonnenmasse: Ein und dasselbe magneto­hydro­dynamische Modell beschreibt den Wind aus Gas, der von der Akkretionsscheibe aus mit hoher Geschwindigkeit ins All strömt. Zu diesem über­raschenden Schluss kommt jetzt ein inter­nationales Forscher­team um Keigo Fukumura von der James Madison University im US-amerikanischen Harrisonburg.

Solche Plasmaströme mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde bis hin zu zwei Zehnteln der Licht­geschwindigkeit sind ein typisches Neben­produkt der Akkretion von Materie durch schwarze Löcher. Ohne diese Winde könnten die Akkretions­scheiben keinen Dreh­impuls nach außen abgeben – mithin könnte die Materie nicht aus der Scheibe in das schwarze Loch hinein fallen. Zudem beeinflusst der Wind die Umgebung eines schwarzen Lochs, vom Zustrom weiterer Materie zur Akkretions­scheibe bis hin zur Stern­entstehung in ganzen Galaxien.

Wie aber entsteht der Wind einer Akkretions­scheibe? „Es gibt eine Vielzahl möglicher Prozesse, die solche Winde erzeugen könnten“, konstatieren Fukumura und seine Kollegen, „deshalb ist die Ursache bislang umstritten.“ Zwar favorisieren viele Astronomen seit langem Magnetfelder als Ursache, doch bislang sind die Belege dafür lediglich indirekter Natur. So stieß das Team um Fukumura bereits 2010 bei super­masse­reichen schwarzen Löchern auf eine Korrelation der Wind­geschwindigkeit mit der Ionisation, die konsistent mit einem magnetischen Antrieb des Windes ist.

Jetzt beschritten die Forscher jedoch einen anderen Weg. Für das stellare schwarze Loch GRO J1655-40 entwickelten sie ein grundlegendes magneto­hydro­dynamisches Modell für die Entstehung des Windes aus der Akkretions­scheibe und die sich daraus ergebenden Absorptions­spektren. Mit diesem Modell konnten die Forscher erfolgreich die vorliegenden, hoch aufgelösten Röntgen­spektren von GRO J1655-40 reproduzieren. Die eigentliche Überraschung für die Forscher war jedoch eine andere. Sie hatten ihr Modell nämlich ursprünglich nicht für stellare schwarze Löcher, sondern für supermassereiche schwarze Löcher entwickelt – und auch deren Spektren konnte es erfolgreiche reproduzieren.

Das sei nicht nur „ein klares theoretisches Argument für den magneto­hydro­dynamischen Ursprung“ des Windes, so Fukumura und seine Kollegen, sondern zeige drüber hinaus „ein und dieselbe magnetische Struktur der beobachteten Winde über alle Größen schwarzer Löcher hinweg.“

Jon Miller von der University of Michigan in Ann Arbor, der nicht zu Fukumuras Team gehört, vergleicht die bisherige Situation mit der Rekonstruktion eines Unfalls aus den gesammelten Trümmer­stücken. „Mit dem neuen Modell ist es erstmals gelungen, die Situation vor dem Unfall zu rekonstruieren und zu zeigen, dass sich damit die Beobachtungen reproduzieren lassen“, so Miller. „Das liefert uns einen tiefen, unabhängigen Einblick in das Problem.“ Mit weiteren Beobachtungen an schwarzen Löchern unterschiedlicher Masse sollen nun die Vorhersagen des Modells von Fukumura und seinen Kollegen weiter überprüft werden.

Rainer Kayser

DE