Neue Tools zur Analyse der Strahlung nahe Schwarzer Löcher

Strahlung, die in der Nähe Schwarzer Löcher emittiert wird, verrät uns viel über physikalische Vorgänge unter Bedingungen, die so extrem sind, dass wir sie nicht einmal mit den fortschrittlichsten Versuchsaufbauten nachstellen können. Sie liefern auch die Möglichkeit, Einsteins Relativitätstheorie im Kontext starker Felder zu überprüfen.

Mithilfe der Daten, die mit dem Röntgen-Weltraumteleskop XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation sowie von der Europäischen Südsternwarte und aus anderen relevanten Quellen gesammelt wurden, möchten die Partner des Projekts STRONGGRAVITY (Probing Strong Gravity by Black Holes Across the Range of Masses) unser Wissen über diese Strahlungsprozesse vertiefen. Dr. Michal Dovciak und sein Team vom Astronomischen Institut der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik verbrachten die letzten vier Jahre damit, die Spektralmessungen, die innerhalb kurzer Zeiträume auf mehreren Wellenlängen bei Systemen mit Schwarzen Löchern vorgenommen wurden, zu analysieren und zu interpretieren, um in diesem Bereich neue Erkenntnisse zu erarbeiten.

Die neuen Tools des Projekts, mit denen die Eigenschaften der Strahlung nahe Schwarzer Löcher hinsichtlich Spektrum, Zeitablauf und Polarisierung berechnet werden können, sollen nicht nur in der Astrophysik von großem Nutzen sein, sondern auch in ganz Europa und darüber hinaus zu neuen Forschungsarbeiten und wissenschaftlichen Ideen führen.

Warum ist es wichtig, die Strahlungsprozesse nahe Schwarzer Löcher besser zu verstehen?

In mathematischer Hinsicht werden Schwarze Löcher recht gut verstanden, aus astrophysikalischer Sicht sind aber noch viele Fragen offen. Wie interagieren sie im Zentrum von Galaxien mit ihrer Umgebung? Wie nehmen sie Materie aus ihrem Umfeld auf und wie funktioniert diese Akkretion? Wie entstehen die Jets, die Materie in die Muttergalaxie des Schwarzen Lochs schleudern?

Alle astrophysikalischen Informationen, die wir zu Schwarzen Löchern sammeln können, beziehen sich auf
Strahlung, die in ihrer näheren Umgebung emittiert wurde, insbesondere auf hochenergetische Strahlung. Daher konzentrieren wir uns in erster Linie auf Röntgenstrahlung. Wir müssen all die Vorgänge verstehen, die diese Strahlung hervorrufen oder beeinflussen, um uns ein Bild machen zu können. Konkret möchten wir so herausfinden, aus welchen Komponenten sich diese Systeme zusammensetzen (Akkretionsscheibe, Korona, Winde etc.), welche Eigenschaften diese Komponenten aufweisen und wie sie miteinander interagieren.

Auf welche Art von Schwarzem Loch konzentrieren Sie sich und warum?

Wir konzentrieren uns auf zahlreiche Quellen in Form von leuchtstarken aktiven Galaxienkernen – von denen jeder ein supermassereiches Schwarzes Loch enthält, das Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen aufweist – sowie auf einige Schwarze Löcher stellaren Ursprungs innerhalb unserer eigenen Galaxie.

Von besonderem Interesse ist hier Sgr A* – das supermassive jedoch ruhige Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Wir konzentrieren uns auf die aktivsten Arten von Schwarzen Löchern, da uns diese die meisten aufschlussreichen Informationen liefern.

Was sind für Sie die wichtigsten Erkenntnisse, die Sie im Projekt sammeln konnten?

Wir haben einige neue, hochentwickelte Tools und Modelle entwickelt sowie bereits bestehende verbessert. Diese Tools und Modelle werden nun von Astronomen genutzt, um die Daten, die mit bodengestützten Observatorien und mit Satelliten gesammelt werden, besser auswerten zu können.

Mithilfe dieser Tools konnten wir beispielsweise erstmals einen Hinweis auf die relativistische Präzession des Orbits von einem der Sterne erhalten, die dem zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße am nächsten sind.

Wie werden diese Tools zu künftigen Missionen wie etwa ATHENA beitragen?

Wir haben sie bereits eingesetzt, um das wissenschaftliche Thema „Die nähere Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher“ für die ATHENA-Mission zu definieren. Wir simulierten die Beobachtungen mit verschiedenen Instrumenten dieser Mission, um ihre Leistung in verschiedenen möglichen Konfigurationen zu beurteilen. Die beiden wichtigsten Ziele bleiben in diesem Zusammenhang die Messung der Rotation eines Schwarzen Lochs anhand der Röntgenreflexion an der Akkretionsscheibe und die Bestimmung der Form der Akkretionsscheibenkorona mittels Untersuchungen des Röntgen-Echos.

Wie kann die wissenschaftliche Gemeinschaft auf Ihre Tools zugreifen und sie nutzen?

Auf unserer Website haben wir eine Seite eingerichtet, auf der die Tools sowie die zugehörigen Bedienungsanleitungen angeboten werden.

Was möchten Sie bis zum Ende des Projekts noch erreichen?

Es gibt mehrere Unterprojekte, die noch abzuschließen sind, und dies möchten wir vor Ende der Projektlaufzeit noch schaffen. Wir arbeiten noch an Berechnungen zu dem Einfluss, den die Korona auf die Emissionen der Akkretionsscheibe ausübt. Außerdem verbessern wir derzeit den Code für die Röntgen-Echo-Studien, und wir möchten das Reflexionsmodell für doppelte galaktische Schwarze Löcher fertigstellen.

STRONGGRAVITY
Projektwebsite