Ein Lichtblitz, der heller ist als eine Billion Sterne, führt zum Durchbruch eines supermassereichen Schwarzen Lochs

Von der Universität Turku, 9. Juni 2023

Künstlerische Darstellung von OJ287 als binäres Schwarzes-Loch-System. Das sekundäre Schwarze Loch mit 150 Millionen Sonnenmassen bewegt sich um das primäre Schwarze Loch mit 18 Milliarden Sonnenmassen. Letztere ist von einer Gasscheibe umgeben. Das sekundäre Schwarze Loch muss während seiner zwölfjährigen Umlaufbahn zweimal auf die Akkretionsscheibe einschlagen. Der Einschlag erzeugt einen blauen Blitz, der im Februar 2022 entdeckt wurde. Darüber hinaus löst der Einschlag das sekundäre Schwarze Loch einige Wochen zuvor auch zu hellen Strahlungsausbrüchen aus, die auch als direktes Signal des sekundären Schwarzen Lochs nachgewiesen wurden. Bildnachweis: AAS 2018

Ein internationales Astronomenteam beobachtete das zweite der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher, die sich in der aktiven Galaxie OJ 287 umkreisten.

Researchers have discovered two supermassive black holes orbiting each other in the galaxy OJ287. Predicted flares from the black holes were accurately observed, confirming the binary system hypothesis. For the first time, the secondary black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">black hole was directly observed in 2021/2022, and new types of flares were detected. These findings highlight OJ287 as a prime candidate for further study of gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Gravitationswellen.

In den Zentren aktiver Galaxien gibt es supermassive Schwarze Löcher, die mehrere Milliarden Mal so viel wiegen wie die Masse unserer Sonne. Astronomen beobachten sie als helle galaktische Kerne, in denen das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie Materie aus einem heftigen Strudel namens Akkretionsscheibe verschlingt. Ein Teil der Materie wird in einem kräftigen Strahl herausgedrückt. Dieser Prozess lässt den galaktischen Kern im gesamten elektromagnetischen Spektrum hell leuchten.

In einer aktuellen Studie fanden Astronomen Hinweise darauf, dass zwei supermassive Schwarze Löcher einander umkreisen, und zwar durch Signale, die von den Jets stammen, die mit der Ansammlung von Materie in beiden Schwarzen Löchern verbunden sind. Die Galaxie oder ein Quasar, wie sie technisch genannt wird, trägt den Namen OJ287 und ist am gründlichsten erforscht und wird am besten als binäres Schwarzes-Loch-System verstanden. Am Himmel liegen die Schwarzen Löcher so nah beieinander, dass sie zu einem Punkt verschmelzen. Dass der Punkt tatsächlich aus zwei Schwarzen Löchern besteht, wird deutlich, indem festgestellt wird, dass er zwei verschiedene Arten von Signalen aussendet.

Die aktive Galaxie OJ 287 liegt in Richtung des Sternbildes Krebs in einer Entfernung von etwa 5 Milliarden Lichtjahren und wird seit 1888 von Astronomen beobachtet. Bereits vor mehr als 40 Jahren entdeckten der Astronom der Universität Turku Aimo Sillanpää und seine Mitarbeiter bemerkte, dass es ein markantes Muster in seiner Emission gibt, das zwei Zyklen aufweist, einen von etwa 12 Jahren und den längeren von etwa 55 Jahren. Sie vermuteten, dass die beiden Zyklen aus der Umlaufbewegung zweier Schwarzer Löcher umeinander resultieren. Der kürzere Zyklus ist der Umlaufzyklus und der längere resultiert aus einer langsamen Entwicklung der Ausrichtung der Umlaufbahn.

Die Orbitalbewegung wird durch eine Reihe von Fackeln sichtbar, die entstehen, wenn das sekundäre Schwarze Loch regelmäßig mit Geschwindigkeiten, die einen Bruchteil langsamer als die Lichtgeschwindigkeit sind, durch die Akkretionsscheibe des primären Schwarzen Lochs stürzt. Dieses Eintauchen des sekundären Schwarzen Lochs erhitzt das Scheibenmaterial und das heiße Gas wird in Form expandierender Blasen freigesetzt. Es dauert Monate, bis diese heißen Blasen abkühlen, während sie strahlen und einen Lichtblitz – einen Flare – verursachen, der etwa zwei Wochen anhält und heller ist als eine Billion Sterne.

Nach jahrzehntelangen Bemühungen, den Zeitpunkt des Sturzes des sekundären Schwarzen Lochs durch die Akkretionsscheibe abzuschätzen, haben Astronomen der Universität Turku in Finnland unter der Leitung von Mauri Valtonen und seinem Mitarbeiter Achamveedu Gopakumar vom Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indien, und anderen konnten die Umlaufbahn modellieren und genau vorhersagen, wann diese Flares auftreten würden.

Erfolgreiche Beobachtungskampagnen in den Jahren 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 und 2019 ermöglichten es dem Team, die vorhergesagten Flares zu beobachten und das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen-Loch-Paares in OJ 287 zu bestätigen.

„Die Gesamtzahl der vorhergesagten Ausbrüche beträgt mittlerweile 26, und fast alle davon wurden beobachtet. Das größere Schwarze Loch in diesem Paar wiegt mehr als das 18-Milliarden-fache der Masse unserer Sonne, während der Begleiter etwa 100-mal leichter ist und eine umlaufende Umlaufbahn hat länglich, nicht kreisförmig“, sagt Professor Achamveedu Gopakumar.

Trotz dieser Bemühungen war es den Astronomen nicht gelungen, ein direktes Signal des kleineren Schwarzen Lochs zu beobachten. Vor 2021 konnte auf seine Existenz nur indirekt aus den Flares und der Art und Weise geschlossen werden, wie es den Jet des größeren Schwarzen Lochs zum Wackeln bringt.

„Die beiden Schwarzen Löcher sind am Himmel so nah beieinander, dass man sie nicht getrennt sehen kann, sie verschmelzen in unseren Teleskopen zu einem einzigen Punkt. Nur wenn wir deutlich getrennte Signale von jedem Schwarzen Loch sehen, können wir sagen, dass wir tatsächlich haben.“ „Sie haben beide gesehen“, sagt der Hauptautor, Professor Mauri Valtonen.

Spannend ist, dass die Beobachtungskampagnen zu OJ 287 in den Jahren 2021/2022 mit einer großen Anzahl von Teleskopen unterschiedlicher Art den Forschern erstmals Beobachtungen des sekundären Schwarzen Lochs, das durch die Akkretionsscheibe stürzt, und der Signale, die vom kleineren Schwarzen Loch ausgehen, ermöglichten selbst.

„Der Zeitraum 2021/2022 hatte für die Erforschung von OJ287 eine besondere Bedeutung. Zuvor war vorhergesagt worden, dass das sekundäre Schwarze Loch in diesem Zeitraum durch die Akkretionsscheibe seines massereicheren Begleiters stürzen wird. Es wurde erwartet, dass dieser Sturz ein … „Es gab einen sehr blauen Blitz direkt nach dem Einschlag, und er wurde tatsächlich innerhalb weniger Tage nach dem vorhergesagten Zeitpunkt von Martin Jelinek und Mitarbeitern der Tschechischen Technischen Universität und des Astronomischen Instituts der Tschechischen Republik beobachtet“, sagt Professor Mauri Valtonen.

Allerdings gab es zwei große Überraschungen – neue Arten von Fackeln, die zuvor noch nicht entdeckt wurden. Der erste von ihnen wurde nur durch eine detaillierte Beobachtungskampagne von Staszek Zola von der Jagiellonen-Universität Krakau, Polen, gesehen, und das aus gutem Grund. Zola und sein Team beobachteten einen großen Flare, der 100-mal mehr Licht erzeugte als eine ganze Galaxie, und er dauerte nur einen Tag.

„Den Schätzungen zufolge ereignete sich der Ausbruch kurz nachdem das kleinere Schwarze Loch während seines Absturzes eine massive Dosis neuen Gases zum Verschlucken erhalten hatte. Es ist der Verschluckungsprozess, der zur plötzlichen Aufhellung von OJ287 führt. Man geht davon aus, dass dieser Prozess dazu geführt hat.“ hat den Jet aktiviert, der aus dem kleineren Schwarzen Loch von OJ 287 herausschießt. Ein Ereignis wie dieses wurde bereits vor zehn Jahren vorhergesagt, konnte aber bisher nicht bestätigt werden“, erklärt Valtonen.

Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop beobachtet den Kosmos mit der energiereichsten Form des Lichts und bietet einen wichtigen Einblick in die extremsten Phänomene des Universums, von Gammastrahlenausbrüchen und Schwarzlochjets bis hin zu Pulsaren, Supernova-Überresten usw Ursprung der kosmischen Strahlung. Bildnachweis: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

Das zweite unerwartete Signal kam von Gammastrahlen und wurde vom Fermi-Teleskop der NASA beobachtet. Der größte Gammastrahlenausbruch in OJ287 seit sechs Jahren ereignete sich genau zu dem Zeitpunkt, als das kleinere Schwarze Loch durch die Gasscheibe des primären Schwarzen Lochs stürzte. Der Jet des kleineren Schwarzen Lochs interagiert mit dem Scheibengas und diese Wechselwirkung führt zur Erzeugung von Gammastrahlen. Um diese Idee zu bestätigen, bestätigten die Forscher, dass ein ähnlicher Gammastrahlenausbruch bereits 2013 stattgefunden hatte, als das kleine Schwarze Loch aus derselben Blickrichtung das letzte Mal durch die Gasscheibe fiel.

„Und was ist mit dem eintägigen Ausbruch, warum haben wir ihn nicht schon früher gesehen? OJ287 ist seit 1888 auf Fotos festgehalten und wird seit 1970 intensiv verfolgt. Es stellt sich heraus, dass wir einfach nur Pech hatten. Niemand hat OJ287 genau beobachtet.“ in den Nächten, in denen es seinen One-Night-Stunt machte. Und ohne die intensive Überwachung durch Zolas Gruppe hätten wir es auch dieses Mal verpasst“, erklärt Valtonen.

Diese Bemühungen machen OJ 287 zum besten Kandidaten für ein supermassereiches Schwarzes-Loch-Paar, das Gravitationswellen im Nanohertz-Frequenzbereich aussendet. Darüber hinaus wird OJ 287 routinemäßig sowohl vom Event Horizon Telescope (EHT) als auch vom Global mm-VLBI Array (GMVA)-Konsortium überwacht, um nach zusätzlichen Beweisen für das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen-Loch-Paares in seinem Zentrum zu suchen und insbesondere um Versuchen Sie, das Radiobild des Sekundärjets zu erhalten.

Die Ergebnisse erscheinen in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Band 521, Ausgabe 4, S. 6143-6155, Juni 2023 und wurden online veröffentlicht.

Referenz: „Refining the OJ 287 2022 Impact Flare Arrival Epoch“ von Mauri J Valtonen, Staszek Zola, A Gopakumar, Anne Lähteenmäki, Merja Tornikoski, Lankeswar Dey, Alok C Gupta, Tapio Pursimo, Emil Knudstrup, Jose L Gomez, Rene Hudec, Martin Jelínek, Jan Štrobl, Andrei V. Berdyugin, Stefano Ciprini, Daniel E. Reichart, Vladimir V. Kouprianov, Katsura Matsumoto, Marek Drozdz, Markus Mugrauer, Alberto Sadun, Michal Zejmo, Aimo Sillanpää, Harry J. Lehto, Kari Nilsson, Ryo Imazawa und Makoto Uemura, 25. März 2023, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.DOI: 10.1093/mnras/stad922

The instruments that were part of the 2021-2022 campaign include NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Das Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA und das Swift-Ultraviolett-Röntgen-Teleskop, Beobachtungen optischer Wellenlängen durch Astronomen in der Tschechischen Republik, Finnland, Deutschland, Spanien, Italien, Japan, Indien, China, Großbritannien und den USA sowie Radiofrequenzbeobachtungen von OJ287 an der Aalto-Universität, Helsinki, Finnland.