Eine kürzlich an der Northwestern University durchgeführte Studie stellt die langjährige Hypothese in Frage, dass Schwarze Löcher Materie langsam konsumieren. Entgegen früheren Annahmen zeigt die Studie, dass Schwarze Löcher gierige Fresser sind und Nahrung viel schneller als erwartet verbrauchen. Die Ergebnisse, die auf hochauflösenden 3D-Simulationen von Akkretionsscheiben basieren, revolutionieren unser Verständnis der Fressgewohnheiten von supermassereichen Schwarzen Löchern.

Die Simulationen stellen die Akkretionsscheibe um ein rotierendes Schwarzes Loch als einen turbulenten Gasstrudel dar. Während das Gas um das Schwarze Loch kreist, beginnen die durch die immense Gravitationskraft verursachten Verzerrungen des Raum-Zeit-Gefüges die Scheibe auseinanderzureißen. Letztendlich zerbricht die Scheibe in innere und äußere Unterdisks. Das Schwarze Loch verschlingt zuerst den inneren Ring und fährt dann fort, sich zu ernähren, wenn die Überreste des äußeren Unterdisks hineinfließen, um die Lücke zu füllen, die der verschlungene innere Ring hinterlassen hat.

Frühere Studien legten nahe, dass ein Zyklus des Fressens-Auffüllens-Fressens Hunderte von Jahren dauerte, um abgeschlossen zu werden. Die neuen Simulationen zeigen jedoch, dass jeder Zyklus nur wenige Monate dauert. Diese schnelle Variation könnte laut Nick Kaaz, dem leitenden Forscher, die drastischen Veränderungen erklären, die bei Quasaren beobachtet werden, die hochleuchtende Objekte sind, die durch Schwarze Löcher erzeugt werden, die Gas aus ihren Akkretionsscheiben fressen.

Die vorherigen Annahmen über die Struktur der Akkretionsscheiben wurden auch durch die Studie herausgefordert. Wissenschaftler glaubten zuvor, dass das Gas und die Teilchen innerhalb der Scheibe in derselben Ebene und Richtung wie die Rotation des Schwarzen Lochs rotieren. Die neuen Simulationen legen jedoch nahe, dass die Regionen um das Schwarze Loch herum chaotisch und turbulent sind.

Unter Verwendung des Hochleistungs-Supercomputers Summit am Oak Ridge National Laboratory führten die Forscher eine 3D-Simulation einer geneigten Akkretionsscheibe mit Gasdynamik, Magnetfeldern und allgemeiner Relativitätstheorie durch. Die Rotation eines Schwarzen Lochs beeinflusst den umgebenden Raum und lässt die gesamte Scheibe wie ein Kreisel schwingen. Die innere Scheibe neigt sich immer stärker, was zu Zusammenstößen von Gas aus verschiedenen Regionen führt. Diese Kollisionen erzeugen helle Stöße, die das Material zum Schwarzen Loch drücken.

Die Simulationen sagen auch voraus, dass der innerste Teil der Scheibe schließlich aufgrund der zunehmenden Schwingungen vom Rest getrennt wird. Als Ergebnis schwingen die Unterdisks unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln. Der Fütterungsprozess beginnt in der Abrissregion, in der die inneren und äußeren Unterdisks voneinander getrennt werden. Die Reibung versucht, die Scheibe zusammenzuhalten, aber die Raum-Zeit-Verzerrungen des Schwarzen Lochs dominieren und führen zu Kollisionen zwischen den Unterdisks. Diese Kollision führt dazu, dass die innere Scheibe von der äußeren Scheibe abgeschliffen und nach innen gedrückt wird.

Die Studie betont das Potenzial dieser schnell wiederkehrenden Fressen-Auffüllen-Fressen-Zyklen, um das Phänomen der „variablen“ Quasare zu erklären. Diese Quasare zeigen ein Muster von Ein- und Ausschalten in kurzer Zeit. Darüber hinaus bieten die Simulationen neue Erkenntnisse zu grundlegenden Fragen über Fütterungsmechanismen und Eigenschaften von Schwarzen Löchern.

Studienreferenz:

Nicholas Kaaz, Matthew T. P. Liska, Jonatan Jacquemin-Ide et al. Nozzle Shocks, Disk Tearing, and Streamers Drive Rapid Accretion in 3D GRMHD Simulations of Warped Thin Disks. The Astrophysical Journal. DOI 10.3847/1538-4357/ace051

Quellen:
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