Der Drehimpuls des supermassereichen Schwarzen Lochs in unserer Galaxis

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Ein Bild, das die Bewegungen der Sterne um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis zeigt. Die Sterne liegen in einer von der Seite sichtbaren Ebene und Astronomen haben diese Einschränkung genutzt, um abzuleiten, daß der Drehimpuls des Schwarzen Lochs weniger als 0.1 beträgt.
Barker, Patterson, & Spivey; U. Ill. NCSA Advanced Visualization Laboratory

Sobald sich ein Schwarzes Loch bildet, erzeugt sein gewaltiges Schwerkraftfeld eine Oberfläche, jenseits derer nicht einmal Licht entkommen kann und es erscheint für Außenstehende schwarz. Alle Einzelheiten des aus seiner Vergangenheit stammenden komplexen Gemenges von Materie und Energie sind verloren und lassen es so einfach zurück, daß es mit nur drei Größen gänzlich beschrieben werden kann: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung. Astronomen können die Massen Schwarzer Löcher auf recht unkompliziertem Weg messen, in dem sie beobachten, wie sich Materie in ihrer Umgebung (darunter andere Schwarze Löcher) unter dem Einfluß ihrer Gravitationsfelder bewegt. Man vermutet, daß die Ladung Schwarzer Löcher unerheblich ist, da einfallende positive und negative Ladungen in ihrer Zahl ausgeglichen sind. Der Drehimpuls von Schwarzen Löchern ist schwer zu bestimmen; normalerweise wird er durch Interpretation der Röntgenstrahlung vom heißen inneren Rand der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch ermittelt. Der Drehimpuls ist durch eine Zahl zwischen null und eins festgelegt und bei Schwarzen Löchern im Bereich von ein paar Zehntel bis nahe Eins gemessen worden.

Unsere Galaxis beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch (supermassive black hole = SMBH), Sagittarius A*, mit ungefähr vier Millionen Sonnenmassen in ihrem Zentrum. In einer Entfernung von rund siebenundzwanzigtausend Lichtjahren ist es das mit Abstand uns nächstgelegene Objekt dieser Art und wenn es auch nicht annähernd so aktiv oder leuchtkräftig ist als andere supermassereiche galaktische Kerne, gibt seine relative Nähe Astronomen die einmalige Gelegenheit zu untersuchen, was nah am „Rand“ eines gewaltigen Schwarzen Lochs geschieht. Das SMBH des galaktischen Zentrums ist von einer Ansammlung an Sternen und Klumpen an schwach leuchtendem Material umgeben und in den vergangenen Jahren konnten Astronomen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie durch Messung und Modellierung der Bewegungen dieser Klumpen, da sie um das SMBH herumschwingen, an neue Grenzen führen. Jedoch ist der Drehimpuls des Schwarzen Lochs mit einer in sich schlüssigen Methode nicht bestimmt worden, aber sein Wert würde helfen, Modelle zu möglicher Jetaktivität einzugrenzen.

Die CfA-Astronomen Giacomo Fragione und Avi Loeb erkannten, daß die räumliche Verteilung einer Gruppe von Clusterobjekten, die sogenannten S-Sterne, genutzt werden könnten, um den Drehimpuls zu erforschen. Zur Zeit sind ungefähr vierzig S-Sterne bekannt, die das SMBH in weniger als 9.9 Jahren umkreisen und jüngste Auswertungen kommen zu dem Schluß, daß sie gemeinsam in zwei nahezu von der Seite zu sehenden Scheiben liegen, in denen die Sterne in jeder Scheibe um das Schwarze Loch kreisen, aber in entgegengesetzten Richtungen. Die beiden Astronomen erkannten, daß diese ungewöhnliche Geometrie eine den Drehimpuls abschätzende Messung erlauben könnte. Eine der kurioseren und nicht intuitiv erkennbaren Vorhersagen der Relativität ist, daß Raum nicht nur durch die Gravitation eines massereichen Körpers, sondern auch (obschon in geringerem Ausmaß) durch einen sich drehenden Körper gekrümmt wird. Dies ist der sogenannte „Frame-Dragging-Effekt“, eine kleine und schwer zu messende Erscheinung (die allerdings bestätigt worden ist). Die beiden Astronomen zeigen, daß im Fall von Sagittarius A* Frame-Dragging einen nennenswerten Einfluß auf die Umlaufbahnen der S-Sterne in diesen Scheiben haben wird. Durch die Annahme, daß die Umlaufebenen der S-Sterne im Lauf der Zeit stabil sind, können sie zeigen, daß der Drehimpuls des SMBH unserer Galaxis niedriger als 0.1 sein muß.

Literatur:

“An Upper Limit on the Spin of Sgr A* Based on Stellar Orbits in Its Vicinity”

Giacomo Fragione and Abraham Loeb

The Astrophysical Journal Letters, 901, L32, 2020

oder

arXiv:2008.11734v2 [astro-ph.GA] 18 Sep 2020