#Fressen Schwarze Löcher anders als gedacht?

Finsteren „Tischmanieren“ auf der Spur: Aus einer neuen Modellsimulation geht hervor, dass Schwarze Löcher sich ihr Futter schneller und auf komplexere Weise einverleiben als bisher angenommen. Demnach teilen die Gravitations-Giganten die sie umkreisende Materiescheibe in zwei Partitionen auf. Die innere wird dann verspeist und anschließend durch Zustrom aus der äußeren Scheibe neu gebildet. Die einzelnen Zyklen des „Fressens-Nachfüllens-Fressens“ dauern dabei nur wenige Monate, geht aus den Simulationen hervor. Dieser Prozess könnte damit nun auch ungewöhnlich schnelle Aktivitätsmuster bei Quasaren erklären, sagen die Wissenschaftler.

Durch ihre gigantische Masse und Gravitationskraft krümmen sie den Raum so stark, dass nicht einmal das Licht entkommen kann: Die Schwarzen Löcher gehören zu den faszinierendsten Objekten im Universum. Neben den physikalischen Phänomenen ist dabei auch ihre Gefräßigkeit ein besonders spannender Aspekt: Materie, die in ihren Bann gerät, wird angezogen, zerrissen und bildet schließlich eine sogenannte Akkretionsscheibe, von der die Schwarzen Löcher zehren. Doch was genau läuft dabei ab?

Lange ging man davon aus, dass Akkretionsscheiben um supermassereiche Schwarze Löcher relativ geordnet aufgebaut sind. In diesen Modellen rotieren Gas und Teilchen in einer Scheibe um das Schwarze Loch , die Rotation erfolgt dabei in der gleichen Richtung wie der Spin des Schwarzen Lochs. Über eine Zeitspanne von Hunderten bis Hunderttausenden von Jahren wird das Material aus der Akkretionsscheibe dann spiralförmig in das Schwarze Loch hineingezogen – so die traditionelle Annahme zum Fressverhalten. Doch dieses unkomplizierte Modell scheint nicht zu einigen Phänomenen zu passen, die bei Schwarzen Löchern in den letzten Jahren beobachtet wurden.

Simulation astronomischer Mahlzeiten

Aus diesem Grund haben die Forscher um Nick Kaaz von Northwestern University in den USA den Prozessen in der Akkretionsscheibe sowie dem Fressverhalten nun eine neue Modellanalyse gewidmet. Dazu kam einer der weltweit größten Supercomputer am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee zum Einsatz. Mit der Hilfe von „Summit“ entwickelten die Wissenschaftler eine 3D-Simulation der dynamischen Abläufe in einer Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch. Wie sie erklären, waren frühere Rechner nicht leistungsfähig genug, um die vielen physikalischen Aspekte in komplexeren Modellierungen zu berücksichtigen. Doch dem Team zufolge konnte die neue Simulation auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie jetzt die Gasdynamiken, die Magnetfelder und weitere Faktoren zu einem klareren Bild der Prozesse vereinen.

„Schwarze Löcher sind extreme Objekte, die die Raumzeit um sie herum auf komplexe Weise beeinflussen“, sagt Kaaz. Genau das spiegelte sich nun auch in den Ergebnissen der neuen Simulation wider, wie er und seine Kollegen berichten: Die Regionen um ein Schwarzes Loch sind viel chaotischer und turbulenter als bisher angenommen. Wie sich zeigte, zerreißen Schwarze Löcher den gewaltigen Strudel aus Materie und partitionieren ihn schließlich. Die komplexen gravitativen und dynamischen Prozesse führen demnach dazu, dass sich die Akkretionsscheibe in eine innere und eine äußere Unterscheibe aufteilt. Die beiden Einheiten beginnen sich dabei unabhängig voneinander zu bewegen: Sie entwickeln unterschiedliche Geschwindigkeiten und verändern ihre Ausrichtung.

Schnell vertilgte Portionen

Der Simulation zufolge frisst das Schwarze Loch den inneren Ring dann zügig auf. Anschließend kommt es zu einer Neubildung: Von der äußeren Scheibe schwappen Trümmer nach innen, um die Lücke wieder zu füllen, die der vollständig verbrauchte innere Ring hinterlassen hat, berichten die Forscher. In der Folge kommt es dann zu einer weiteren Mahlzeit. Wie aus den Simulationen hervorgeht, dauert der Zyklus des sich wiederholenden Prozesses von Fressen-Nachfüllen-Fressen nur wenige Monate. Damit kann die „Nahrungsaufnahme“ bei supermassereichen Schwarzen Löchern viel schneller ablaufen, als man bisher angenommen hat.

Wie die Forscher hervorheben, können die Ergebnisse damit nun auch dazu beitragen, das bisher schwer erklärbare abrupte Aufleuchten und anschließende Abdimmen von bestimmten Himmelsobjekten zu erklären. „Einige Quasare – die dadurch entstehen, dass Schwarze Löcher Materie aus ihren Akkretionsscheiben fressen – scheinen sich über Zeitskalen von Monaten bis Jahren stark zu verändern. Die klassische Akkretionsscheiben-Theorie kann diese drastische Variation nicht erklären. Aber die Phänomene, die wir in unseren Simulationen sehen, könnten dies nun möglicherweise erklären: Die schnelle Aufhellung und das Dimmen stehen im Einklang mit den inneren Bereichen der Scheibe, die zerstört werden“, sagt der Astronom.

Quelle: Northwestern University

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