Paul Sparks
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Gasströme fallen in ihr Verderben und tauchen in schwarze Löcher ein, die für immer vom Universum ferngehalten werden. In ihren letzten Augenblicken senden diese gasförmigen Fetzen ein letztes Lichtblitz aus, einige der hellsten Emissionen im Universum.
Diese Todestauchgänge sind zu weit entfernt, um direkt gesehen zu werden, aber Astronomen haben eine neue Technik entwickelt, um ihre panischen Hilferufe zu erkennen. Sie verwenden die Methode, um unser Wissen über die Schwerkraft in den extremsten Umgebungen des Universums zu testen.
In einer neuen Studie untersuchten die Physiker die spezifischen Merkmale dieses Lichts, um herauszufinden, wie nahe Sie einem Schwarzen Loch kommen können, ohne hart arbeiten zu müssen, um eine Katastrophe zu verhindern - eine Schwelle, die als innerste stabile Kreisbahn oder ISCO bezeichnet wird. Die Forscher fanden heraus, dass ihre Methode mit empfindlicheren Röntgenteleskopen funktionieren könnte, die online gehen.
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Über dem Wasserfall
Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist die unsichtbare Linie im Sand, über die Sie niemals zurückkehren können. Sobald etwas den Ereignishorizont passiert, selbst das Licht selbst, kann es nicht mehr in das Universum zurückkehren. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs ist in dieser Region einfach zu stark.
Außerhalb eines Schwarzen Lochs ist jedoch alles nur Dandy. Ein bestimmtes Schwarzes Loch wird eine bestimmte Masse haben (von ein paar Mal der Sonnenmasse für die kleineren in der Galaxie bis zu Milliarden Mal schwerer für die wahren Monster, die den Kosmos durchstreifen), und das Schwarze Loch zu umkreisen ist genau so alles andere mit identischer Masse umkreisen. Die Schwerkraft ist nur die Schwerkraft, und die Umlaufbahnen sind Umlaufbahnen.
In der Tat kreisen viele Dinge im Universum um Schwarze Löcher. Sobald diese tollkühnen Abenteurer in der Gravitationsumarmung des Schwarzen Lochs gefangen sind, beginnen sie die Reise gegen Ende. Wenn Material in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, neigt es dazu, sich in ein hauchdünnes Band zu quetschen, das als Akkretionsscheibe bekannt ist. Diese Scheibe dreht sich und dreht sich, wobei Wärme, Reibung sowie magnetische und elektrische Kräfte sie anregen und das Material hell leuchten lassen.
Bei den massereichsten Schwarzen Löchern leuchten die Akkretionsscheiben um sie herum so stark, dass sie einen neuen Namen erhalten: aktive galaktische Kerne (AGN), die Millionen einzelner Galaxien überstrahlen können.
In der Akkretionsscheibe reiben einzelne Materialstücke an anderen Teilen, entziehen ihnen Rotationsenergie und treiben sie immer weiter nach innen zum klaffenden Schlund des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Ohne diese Reibungskräfte wäre das Material jedoch in der Lage, das Schwarze Loch auf Dauer zu umkreisen, so wie die Planeten Milliarden von Jahren um die Sonne kreisen können.
Ein Hilferuf
Wenn Sie sich jedoch dem Zentrum des Schwarzen Lochs nähern, erreichen Sie einen bestimmten Punkt, an dem alle Hoffnungen auf Stabilität gegen die Felsen der Schwerkraft gerichtet sind. Direkt außerhalb des Schwarzen Lochs, aber vor Erreichen des Ereignishorizonts, sind die Gravitationskräfte so extrem, dass stabile Umlaufbahnen unmöglich werden. Sobald Sie diese Region erreicht haben, können Sie nicht mehr in einer ruhigen Umlaufbahn bleiben. Sie haben nur zwei Möglichkeiten: Wenn Sie Raketen oder eine andere Energiequelle haben, können Sie sich in Sicherheit bringen. Aber wenn Sie ein unglückliches Stück Gas sind, sind Sie dazu verdammt, frei auf den wartenden dunklen Albtraum unten zu fallen.
Diese Grenze, die innerste stabile Kreisbahn (oder ISCO für die Liebhaber des astronomischen Jargons), ist eine feste Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, der gleichen Theorie, die die Existenz von Schwarzen Löchern überhaupt vorhersagt.
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Trotz des Erfolgs der allgemeinen Relativitätstheorie bei der Vorhersage und Erklärung von Phänomenen im gesamten Universum und unseres sicheren Wissens, dass Schwarze Löcher real sind, konnten wir die Existenz des ISCO und die Übereinstimmung mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie nie überprüfen.
Aber das Gas, das in den Untergang fällt, kann uns eine Möglichkeit bieten, diese Existenz zu verifizieren.
Tanzende Lichter
Ein Team von Astronomen veröffentlichte kürzlich einen Artikel in der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society, der ebenfalls in die Preprint-Zeitschrift arXiv hochgeladen wurde und beschreibt, wie man dieses sterbende Licht nutzen kann, um den ISCO zu studieren. Ihre Technik basiert auf einem astronomischen Trick, der als Nachhallkartierung bekannt ist und die Tatsache ausnutzt, dass verschiedene Regionen um das Schwarze Loch auf unterschiedliche Weise leuchten.
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Wenn Gas von der Akkretionsscheibe am ISCO - dem innersten Teil der Akkretionsscheibe - vorbei und in das Schwarze Loch selbst strömt, wird es so heiß, dass es einen breiten Schwad hochenergetischer Röntgenstrahlung aussendet. Dieses Röntgenlicht scheint in alle Richtungen vom Schwarzen Loch weg. Wir können diese Emission auf dem ganzen Weg von der Erde aus sehen, aber die Details der Akkretionsscheibenstruktur gehen in der Flamme der Röntgenpracht verloren. (Wenn Sie mehr über die Akkretionsscheibe erfahren, können Astrophysiker auch den ISCO besser in den Griff bekommen.)
Das gleiche Röntgenlicht beleuchtet auch Bereiche weit außerhalb der Akkretionsscheibe, Bereiche, die von Kaltgasklumpen dominiert werden. Das kalte Gas wird durch die Röntgenstrahlen angeregt und beginnt, sein eigenes Licht zu emittieren, was als Fluoreszenz bezeichnet wird. Wir können diese Emission auch getrennt von der Röntgenflamme erfassen, die von den Regionen ausgeht, die dem Schwarzen Loch am nächsten liegen.
Es braucht Zeit, bis das Licht vom ISCO und dem äußeren Teil der Akkretionsscheibe nach außen zum kalten Gas gelangt. Wenn wir genau hinschauen, können wir zunächst das Aufflackern der zentralen Bereiche (des ISCO und der innersten Teile der Akkretionsscheibe) beobachten, kurz gefolgt vom "Nachhall" -Licht der Schichten außerhalb des ISCO und der unmittelbar umgebenden Akkretionsscheibe.
Das Timing und die Details des nachhallenden Lichts hängen von der Struktur der Akkretionsscheibe ab, mit der Astronomen zuvor die Masse der Schwarzen Löcher geschätzt haben. In dieser jüngsten Studie verwendeten die Forscher ausgefeilte Computersimulationen, um zu sehen, wie die Bewegung von Gas innerhalb des ISCO - wie das Gas stirbt, wenn es schließlich in Richtung des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs fällt - die Emission von Röntgenstrahlen sowohl in der Nähe als auch im Außenbereich beeinflusst Gas.
Sie fanden heraus, dass die nächste Generation von Röntgenteleskopen in der Lage sein sollte, die Existenz des ICSO zu bestätigen und zu testen, ob es mit den allgemeinen Vorhersagen übereinstimmt, obwohl wir derzeit nicht die Empfindlichkeit haben, das zum Scheitern verurteilte Gas zu messen Relativitätstheorie in den vielleicht gravitativsten Regionen des gesamten Universums.
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Ursprünglich veröffentlicht am .
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