In verschiedenen Wellenlängen lässt sich ein gigantischer Teilchenstrahl beobachten, der von der Riesengalaxie M87 ausgestoßen wird. Dr. Alejandro Cruz Osorio und Prof. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt ist es gemeinsam mit einem internationalen Wissenschaftsteam nach aufwändigen Supercomputer-Berechnungen gelungen, ein theoretisches Modell zur Entstehung dieses Jets zu entwickeln. Die berechneten Bilder stimmen außergewöhnlich gut mit den astronomischen Beobachtungen überein und bestätigen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

Entlang der magnetischen Feldlinien werden die Teilchen so stark beschleunigt, dass sie aus der Galaxie M87 heraus einen Jet von 6000 Lichtjahren Länge bilden. Bild: Alejandro Cruz-Osorio

55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau liegt die Galaxie Messier 87 (M87), eine Riesengalaxie mit 12.000 Kugelsternhaufen, gegen die die 200 Kugelsternhaufen der Milchstraße eher bescheiden wirken. Im Zentrum von M87 befindet sich ein schwarzes Loch von 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Es ist das erste schwarze Loch, von dem es ein Bild gibt, erstellt 2019 von der internationalen Forschungskollaboration Event Horizon Telescope.

Dieses schwarze Loch (M87*) stößt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Plasmastrahl aus, einen so genannten relativistischen Jet, der 6000 Lichtjahre misst. Die ungeheure Energie für diesen Jet stammt wahrscheinlich aus der Anziehungskraft des schwarzen Lochs, doch wie genau ein solcher Jet entsteht und was ihn über diese riesige Entfernung hin stabilisiert, ist bisher noch nicht verstanden.

Das schwarze Loch M87* zieht Materie an, die in einer Ebene um das schwarze Loch in immer engeren Umlaufbahnen rotiert, bis sie von dem schwarzen Loch aufgesaugt wird. Aus dem Zentrum dieser spiralförmigen Akkretionsscheibe von M87* (lateinisch accrescere – anwachsen) wird der Jet ausgestoßen, und diese Region modellierten jetzt sehr detailreich theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt zusammen mit Wissenschaftlern aus Europa, den USA und China.

Dabei nutzten sie ausgefeilte dreidimensionale Supercomputer-Simulationen, die pro Simulation die gewaltige Menge von einer Million CPU-Stunden verschlangen und gleichzeitig die Gleichungen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, James Maxwells Gleichungen zum Elektromagnetismus und Leonhard Eulers Gleichungen zur Strömungsmechanik integrieren mussten.

Das Ergebnis war ein Modell, bei dem die berechneten Werte für Temperaturen, Materiedichten und Magnetfeldern in hohem Maße mit den Werten übereinstimmten, die aus den astronomischen Beobachtungen errechnet wurden. Auf dieser Basis gelang es den Wissenschaftlern, die komplexe Strahlungsbewegung in der gekrümmten Raumzeit im innersten Bereich des Jets zu modellieren und in Bilder des Radiowellenspektrums zu übersetzen. Diese computermodellierten Bilder konnten sie nun mit den Beobachtungen vergleichen, die während der vergangenen drei Jahrzehnte mit zahlreichen Radioteleskopen und Satelliten gemacht wurden.

Dr. Alejandro Cruz-Osorio, Erstautor der Studie, erklärt: „Unser theoretisches Modell der elektromagnetischen Emission und der Jet-Morphologie von M87 stimmt überraschend gut mit den astronomischen Beobachtungen des Jets überein, und zwar im infraroten, im optischen und im Röntgenspektrum. Daraus folgern wir, dass das supermassive Schwarze Loch M87* wahrscheinlich stark rotiert und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch die Teilchen so stark beschleunigt werden, dass sie diesen Jet über Tausende von Lichtjahren bilden.”

Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt meint: “Dass die von uns berechneten Bilder den astronomischen Beobachtungen so nahekommen, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die genaueste und natürlichste Erklärung für die Existenz supermassereicher schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien ist. Zwar lassen unsere Berechnungen immer noch Raum für alternative Erklärungsmodelle, doch durch die Ergebnisse unserer Arbeit wird dieser Raum deutlich kleiner.”

Publikation: Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer, Luciano Rezzolla: State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet. Nature Astronomy 2021, https://doi.org10.1038/s41550-021-01506-w