(Bild: Ficta Stock / Shutterstock.com)
Astronomen beobachten erstmals, wie ein rotierendes Schwarzes Loch die Raumzeit mitreißt. Die Daten bestätigen eine über 100 Jahre alte Vorhersage Einsteins.
Einstein hatte recht – aber erst jetzt lässt sich wirklich beobachten, wie dramatisch sich seine Vorhersage im Kosmos auswirkt.
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Ein internationales Forscherteam unter Leitung der Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat den bislang überzeugendsten Beleg dafür geliefert, dass rotierende Schwarze Löcher die Raumzeit um sich herum regelrecht mitschleifen.
Die im Fachmagazin Science Advances veröffentlichte Studie dokumentiert ein Phänomen, das Einstein 1913 erstmals theoretisch beschrieb und das Josef Lense und Hans Thirring 1918 mathematisch fassten: die sogenannte Lense-Thirring-Präzession, auch Frame-Dragging genannt.
Vereinfacht gesagt wirkt ein rotierendes Schwarzes Loch wie ein kosmischer Rührlöffel. Es krümmt nicht nur die Raumzeit durch seine enorme Masse, sondern verdrillt sie zusätzlich durch seine Drehung.
Gas, Lichtstrahlen und ganze Umlaufbahnen werden dadurch in eine taumelnde Bewegung gezwungen – als würde ein Kreisel das Wasser um sich herum in einen Strudel ziehen.
Ein zerrissener Stern als kosmisches Labor
Den entscheidenden Hinweis lieferte ein Gezeitenzerstörungsereignis mit der Katalogbezeichnung AT2020afhd. Dabei geriet ein Stern dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie LEDA 145386 zu nahe und wurde von dessen Gezeitenkräften zerrissen.
Die Trümmer formten eine glühende Akkretionsscheibe, während gleichzeitig ein energiereicher Materiestrahl – ein sogenannter Jet – mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All schoss. Das Schwarze Loch bringt es nach Angaben der Forscher auf rund fünf Millionen Sonnenmassen .
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Wie die Cardiff University mitteilte, beobachtete das Team rhythmische Helligkeitsschwankungen sowohl im Röntgen- als auch im Radiobereich. Scheibe und Jet taumelten im Gleichtakt – mit einer Periode von 19,6 Tagen.
Cosimo Inserra, Mitautor von der Cardiff University, erklärte dazu:
„Unsere Studie liefert den bislang überzeugendsten Beweis für die Lense-Thirring-Präzession – ein Schwarzes Loch, das die Raumzeit mit sich zieht, ähnlich wie ein Kreisel das Wasser um sich herum in einen Strudel zieht“.
Sechs Teleskope für einen Nachweis
Dass der Befund gelang, verdankt sich einer aufwendigen Beobachtungskampagne mit mehreren Instrumenten. Die Röntgendaten stammen vom Neil Gehrels Swift Observatory und dem NICER-Teleskop auf der Internationalen Raumstation.
Für die Radiosignale kombinierten die Astronomen Messungen des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), des Australia Telescope Compact Array (ATCA), des britischen e-MERLIN-Netzwerks und des Very Long Baseline Array (VLBA) .
Erst diese dichte Überwachung in beiden Wellenlängenbereichen machte die synchronen Schwankungen sichtbar.
Statistisch erreicht die 19,6-Tage-Periodizität im Röntgenlicht eine Signifikanz von knapp 3,8 Sigma. Die Kreuzkorrelation zwischen Röntgen- und Radiodaten liegt sogar bei 4,26 Sigma – noch unterhalb des Fünf-Sigma-Goldstandards der Teilchenphysik, aber für astrophysikalische Verhältnisse ein starkes Signal .
Alternative Erklärungen wie instrumentelle Effekte, interstellare Szintillation oder Strahlungsdruckinstabilitäten in der Scheibe prüften die Forscher systematisch und schlossen sie aus.
Langsam rotierendes Schwarzes Loch
Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis: Das Schwarze Loch dreht sich offenbar vergleichsweise langsam. Die Modellierung ergab einen dimensionslosen Spinparameter von etwa 0,1 bis 0,35 .
Das deutet auf eine Wachstumsgeschichte hin, in der das Schwarze Loch sein Material eher in vielen kleinen, ungeordneten Portionen aufsammelte, statt über lange Zeiträume gleichmäßig gefüttert zu werden.
Zugleich zeigt der Befund, dass selbst bei moderatem Spin mild relativistische Jets entstehen können – die Magnetfeldgeometrie und der Aufbau der Scheibe spielen dabei offenbar eine mindestens ebenso wichtige Rolle wie die Rotation selbst.
Für die Überprüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie im starken Gravitationsfeld bedeutet die Beobachtung einen wichtigen Bestätigungspunkt. Die Daten sind konsistent mit der Kerr-Metrik, also der Beschreibung rotierender Schwarzer Löcher in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Abweichungen davon hätten sich in veränderten Präzessionsperioden bemerkbar gemacht.