Ein internationales Team von Astronomen, unter anderem von der Universität Freiburg und dem Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS), hat herausgefunden, dass die Rotationsachse eines Schwarzen Lochs in einem Doppelsternsystem um mehr als 40 Grad gegenüber der Achse der Sternbahn geneigt ist. Diese Erkenntnis stellt die derzeitigen theoretischen Modelle zur Entstehung Schwarzer Löcher in Frage und wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Eine Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Sonnenphysik (KIS), Freiburg.
Quelle: Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS).
25. Februar 2022 – Die Astronomen haben zum ersten Mal zuverlässig einen großen Unterschied zwischen der Rotationsachse des Schwarzen Lochs und der Achse der Umlaufbahn des Doppelsternsystems gemessen. Der Unterschied zwischen den Achsen, den die Forscher bei einem Doppelsternsystem namens MAXI J1820+070 gemessen haben, betrug mehr als 40 Grad.
Bei Raumsystemen mit kleineren Objekten, die um einen massereichen Zentralkörper kreisen, ist die eigene Rotationsachse dieses Körpers oft in hohem Maße mit der Bahnachse seiner Satelliten ausgerichtet. Dies gilt auch für unser Sonnensystem: Die Planeten umkreisen die Sonne in einer Ebene, die ungefähr mit der Äquatorebene der Sonne zusammenfällt. Die Neigung der Rotationsachse der Sonne gegenüber der Umlaufachse der Erde beträgt nur sieben Grad.
„Die Erwartung, dass die Rotationsachse der Sonne mit der Umlaufachse der Erde übereinstimmt, gilt weitgehend nicht für bizarre Objekte wie Röntgendoppelsterne mit schwarzen Löchern. Die schwarzen Löcher in diesen Systemen sind durch einen kosmischen Kataklysmus entstanden – den Kollaps eines massereichen Sterns. Jetzt sehen wir, wie das Schwarze Loch Materie von dem nahen, leichteren Begleitstern mitreißt, der das Gravitationszentrum des Systems umkreist. Wir sehen helle optische und Röntgenstrahlung als letzten Seufzer des einfallenden Materials und auch Radioemission von den relativistischen Jets, die aus dem System ausgestoßen werden“, sagt Juri Poutanen, Professor für Astronomie an der Universität Turku (UTU), Finnland, und Hauptautor der Veröffentlichung.
Indem sie diese Jets im Radio- und Röntgenbereich verfolgten, konnten die Forscher die Richtung der Rotationsachse des Schwarzen Lochs sehr genau bestimmen. Als die Gasmenge, die vom Begleitstern auf das Schwarze Loch fällt, später abzunehmen begann, wurde das System dunkler, und ein Großteil des Lichts im System kam vom Begleitstern. Auf diese Weise konnten die Forscher die Neigung der Umlaufbahn mit spektroskopischen Techniken messen, die fast mit der Neigung der Auswürfe übereinstimmte. Die 3D-Orientierung der Umlaufbahn im Weltraum wurde durch eine kritische Messung des Positionswinkels des Systems am Himmel (in Bezug auf die Richtung nach Norden) mit Hilfe der polarimetrischen Technik bestimmt.
„Die hochpräzisen polarimetrischen Instrumente und Techniken, die am KIS gemeinsam mit der UTU entwickelt wurden, liefern neue Informationen über die Geometrie und Physik von Exoplaneten, Asteroiden, interstellaren Magnetfeldern, Weißen Zwergen und jetzt auch Schwarzen Löchern, da Lichtwellen durch Streuung und Magnetfelder polarisiert werden. Unser in dieser Studie verwendetes Polarimeter DIPol-UF ist einzigartig in seiner Fähigkeit, die optische Polarisation mit der Präzision und Genauigkeit von wenigen Teilen pro Million zu messen. Die Bestimmung der Bahnorientierung von Schwarzen Löchern anhand der Polarisation eröffnet einen neuen Weg zum Verständnis ihrer Entstehung und Physik“, sagt Prof. Dr. Svetlana Berdyugina von der Universität Freiburg und dem Leibniz-Institut für Sonnenphysik, die am KIS Projekte zur Hochpräzisionspolarimetrie leitet und Mitautorin der Studie ist.
Der gefundene Unterschied von mehr als 40 Grad zwischen der Bahnachse und dem Spin des Schwarzen Lochs war völlig unerwartet. Wissenschaftler sind bisher oft davon ausgegangen, dass dieser Unterschied sehr gering ist, wenn sie das Verhalten von Materie in einem gekrümmten Zeitraum um ein Schwarzes Loch modelliert haben. Die neue Erkenntnis zwingt die Wissenschaftler dazu, die Modelle um eine neue Dimension zu erweitern.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Science veröffentlicht und bieten neue Einblicke in die Entstehung von Schwarzen Löchern und die Entwicklung solcher Systeme, da eine solch extreme Fehlausrichtung in vielen Szenarien für die Entstehung von Schwarzen Löchern und die Entwicklung von Doppelsternen kaum vorkommt.
Die entscheidende Erkenntnis wurde mit dem polarimetrischen Instrument DIPol-UF gewonnen, das gemeinsam vom Leibniz-Institut für Sonnenphysik und der Universität Turku gebaut und am Nordic Optical Telescope (NOT) eingesetzt wurde, das der Universität Turku gemeinsam mit der Universität Aarhus in Dänemark gehört. Finanziert wurde das Instrument durch das ERC Advanced Grant HotMol unter der Leitung von Prof. Dr. Svetlana Berdyugina.
Veröffentlichung
Science Black hole spin–orbit misalignment in the x-ray binary MAXI J1820+070
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