Supercomputer-Simulationen erklären massiv mächtigen Schwarzen-Loch-Jet – bestätigt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie

Supercomputer-Simulationen erklären massiv mächtigen Schwarzen-Loch-Jet – bestätigt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie

Kupfermassereiches Schwarzes Loch mit einem Röntgenstrahl. Bildnachweis: NASA / CXC / M.Weiss

Eine weitere Bestätigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.

Die Galaxie Messier 87 (M87) befindet sich 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau. Es ist eine riesige Galaxie mit 12.000 Kugelsternhaufen, was die MilchstraßeDie 200 Kugelsternhaufen von s erscheinen im Vergleich bescheiden. EIN schwarzes Loch von sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen befindet sich im Zentrum von M87. Es ist das erste Schwarze Loch, von dem ein Bild existiert, das 2019 von der internationalen Forschungskollaboration Event Horizon Telescope erstellt wurde.

Dieses Schwarze Loch (M87 *) feuert einen Strahl von Plasma mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, einem sogenannten relativistischen Jet, in der Größenordnung von 6000 Lichtjahren. Die enorme Energie, die für den Antrieb dieses Jets benötigt wird, stammt wahrscheinlich von der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs, aber wie ein solcher Jet entsteht und was ihn über die enorme Distanz stabil hält, ist noch nicht vollständig geklärt.

Theoretisches Modell des relativistischen Jets M87 und astronomische Beobachtungen

Das theoretische Modell (Theorie) und die astronomischen Beobachtungen (Beobachtung) des Startplatzes des relativistischen Jets von M87 stimmen sehr gut überein. Bildnachweis: Alejandro Cruz-Osorio

Das Schwarze Loch M87* zieht rotierende Materie in einer Scheibe in immer kleineren Bahnen an, bis sie vom Schwarzen Loch verschluckt wird. Der Jet startet aus dem Zentrum der Akkretionsscheibe um M87, und theoretische Physiker der Goethe-Universität sowie Wissenschaftler aus Europa, den USA und China haben diese Region nun detailliert modelliert.

Sie verwendeten sehr ausgeklügelte dreidimensionale Supercomputer-Simulationen, die die erstaunliche Menge von einer Million CPU-Stunden pro Simulation verwenden und mussten gleichzeitig Albert Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, James Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus und Leonhard Eulers Gleichungen der Fluiddynamik lösen.

Relativistischer Jet der magnetischen Feldlinien des Schwarzen Lochs M87

Entlang der magnetischen Feldlinien werden die Teilchen so effizient beschleunigt, dass sie im Fall von M87 einen Jet in der Größenordnung von 6000 Lichtjahren bilden. Bildnachweis: Alejandro Cruz-Osorio

Das Ergebnis war ein Modell, bei dem die berechneten Werte für Temperaturen, Materialdichten und Magnetfelder bemerkenswert gut mit dem übereinstimmen, was aus astronomischen Beobachtungen abgeleitet wird. Auf dieser Grundlage konnten die Wissenschaftler die komplexe Bewegung von Photonen in der gekrümmten Raumzeit des innersten Bereichs des Jets verfolgen und in Radiobilder übersetzen. Diese computermodellierten Bilder konnten sie dann mit Beobachtungen vergleichen, die in den letzten drei Jahrzehnten mit zahlreichen Radioteleskopen und Satelliten gemacht wurden.

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Dr. Alejandro Cruz-Osorio, Erstautor der Studie, kommentiert: „Unser theoretisches Modell der elektromagnetischen Emission und der Jet-Morphologie von M87 stimmt überraschend gut mit Beobachtungen in den Radio-, optischen und Infrarotspektren überein. Dies sagt uns, dass sich das supermassive Schwarze Loch M87* wahrscheinlich stark dreht und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch die Teilchen auf Skalen von Tausenden von Lichtjahren beschleunigt werden.

Professor Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt bemerkt: „Die Tatsache, dass die von uns berechneten Bilder so nah an astronomischen Beobachtungen sind, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins die genaueste und natürlichste ist.“ Erklärung für die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien. Es gibt zwar noch Raum für alternative Erklärungen, aber die Ergebnisse unserer Studie haben diesen Raum viel kleiner gemacht.

Referenz: „Hochmoderne energetische und morphologische Modellierung des M87-Jet-Startplatzes“ von Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer und Luciano Rezzolla, 4. November 2021, Naturastronomie.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01506-w

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