Im Zentrum der Galaxie M87, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau befindet, verbirgt sich M87*, ein supermassereiches Schwarzes Loch, dessen Masse dem 6,5-Milliarden-fachen unserer Sonne entspricht. Dieser Koloss rotiert mit atemberaubender Geschwindigkeit um sich selbst, und diese Drehung erzeugt kosmische Phänomene von ungeahnter Gewalt. Fast ein Jahrhundert lang haben Astronomen diese Materiestrahlen, die aus dem Herzen der Galaxie entweichen und sich über Tausende von Lichtjahren im intergalaktischen Raum erstrecken, beobachtet ohne sie zu verstehen.
Bildung einer Plasmoid-Kette in der Äquatorialebene eines Schwarzen Lochs, wo magnetische Rekonnexion Teilchen auf extreme Energien beschleunigt. Die grauen Linien repräsentieren das Magnetfeld.
Bildnachweis: Meringolo, Camilloni, Rezzolla (2025) Das Team der Goethe-Universität Frankfurt unter der Leitung von Professor Luciano Rezzolla hat ein Simulationswerkzeug namens FPIC entwickelt. Dieser Computercode ermöglicht es, das Verhalten geladener Teilchen und elektromagnetischer Felder in der extremen Umgebung eines rotierenden Schwarzen Lochs mit bisher unerreichter Präzision zu modellieren. Die Berechnungen, die mehrere Millionen Stunden Rechenzeit auf deutschen Supercomputern erforderten, zeigten, dass der berühmte Blandford-Znajek-Mechanismus nicht allein für die Energieextraktion verantwortlich ist.
Die Simulationen haben einen wenig bekannten physikalischen Prozess aufgezeigt: die magnetische Rekonnexion. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Magnetfeldlinien brechen und sich abrupt neu verbinden, wodurch enorme Energiemengen freigesetzt werden. In der Äquatorialebene des Schwarzen Lochs erzeugt diese Aktivität Ketten von Plasmoide - ultraenergetische Plasmastrukturen - die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Plasmaausbrüche tragen direkt zur Speisung der kosmischen Jets bei.
Die in
The Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Studie zeigt, dass diese magnetische Rekonnexion Teilchen mit negativer Energie erzeugt, ein kontraintuitives Konzept, das jedoch perfekt durch die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird. Diese exotischen Teilchen spielen eine Schlüsselrolle beim Energietransfer vom Schwarzen Loch zu seiner Umgebung. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis, wie aktive galaktische Kerne so außergewöhnliche Leuchtkräfte erreichen und wie Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden.
Die relativistischen Jets: Kosmische Autobahnen aus Materie und Energie
Astrophysikalische Jets sind kollimierte Ströme aus Materie und Strahlung, die mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus den Zentralregionen bestimmter Himmelsobjekte entweichen. Erstmals 1918 in der Galaxie M87 beobachtet, erstrecken sich diese Strukturen oft über Zehntausende von Lichtjahren und durchqueren den intergalaktischen Raum.
Die Bildung dieser Jets erfordert extreme Bedingungen, die man hauptsächlich um supermassereiche Schwarze Löcher und schnell rotierende Neutronensterne findet. Ihre Energie stammt aus der Rotation des Zentralobjekts, die über intensive Magnetfelder an die Umgebung übertragen wird. Die in diesen Jets beschleunigten Teilchen emittieren Synchrotronstrahlung, die in allen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums sichtbar ist.
Diese Jets spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien, indem sie die Sternentstehung regulieren und das intergalaktische Gas aufheizen. Wenn ein Jet auf die umgebende Materie trifft, erzeugt er Stoßwellen, die entweder das Gas komprimieren um neue Sterne zu bilden, oder es im Gegenteil zerstreuen und die Sternentstehung verhindern können. Diese Regulation bestimmt teilweise die Größe und Morphologie von Galaxien.
Aktuelle Beobachtungen zeigen, dass Jets in ihrer Intensität und Richtung auf astronomisch kurzen Zeitskalen erheblich variieren können. Diese Variabilität erklärt sich durch Akkretionsprozesse von Materie und magnetische Rekonnexion in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Die detaillierte Untersuchung dieser Variationen ermöglicht es Astronomen, die dem Schwarzen Loch am nächsten gelegenen Regionen zu erforschen, die durch direkte Beobachtung unzugänglich sind.
Quelle: The Astrophysical Journal Letters