Astronomen haben die energetische Aktivierung eines Schwarzen Lochs beobachtet

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Forschern der University of Birmingham, des University College London und der King's University Belfast hat einen der dramatischsten „Einschaltvorgänge“ eines Schwarzen Lochs entdeckt, die jemals beobachtet wurden. Ihre Ergebnisse präsentieren sie am Dienstag, 4. Juli, unter Nationales astronomisches Treffen 2023 in Cardiff.

J221951-484240, bekannt als J221951, ist einer der hellsten Transienten – astrophysikalische Objekte, die ihre Helligkeit über einen kurzen Zeitraum ändern –, die jemals aufgezeichnet wurden. Es wurde von Dr. Samantha Oates, einer Astronomin an der Universität Birmingham, und ihrem Team im September 2019 entdeckt, als sie nach elektromagnetischem Licht einer Gravitationswelle suchten. Das Team nutzte die ultravioletten und optischen Teleskope an Bord des Neil Gerrells Swift Observatory, um nach einer Kilonova zu suchen, der Signatur eines Neutronensterns, der mit einem anderen Neutronenstern oder Schwarzen Loch verschmilzt. Normalerweise sieht die Kilonova blau aus, verblasst dann und wird innerhalb weniger Tage rot. Stattdessen fanden sie etwas noch Ungewöhnlicheres: J221951. Es sah blau aus, aber es änderte seine Farbe nicht und verblasste nicht so schnell wie Kilonova.

Mehrere Teleskope wurden verwendet, um J221951 zu beobachten und seine Natur zu bestimmen, darunter die NASA-Weltraumteleskope Swift/UVOT und Hubble, das South African Large Telescope und ESO-Instrumente wie das Very Large Telescope und das GROND-Instrument am MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop im Observatorium von La Silla.

Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Spektrum von J221951 schloss eine Gravitationswellenverbindung von J221951 aus. Durch die Untersuchung des Lichtspektrums von J221951 konnten Dr. Oates und ihr Team feststellen, dass die Quelle etwa 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, im Gegensatz zum Gravitationswellensignal, das in weniger als 0,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung entdeckt wurde. Die Tatsache, dass es in so großer Entfernung so hell leuchtet, macht J221951 zu einem der hellsten jemals entdeckten Transienten.

Es gibt Hinweise darauf, dass J221951 durch ein supermassereiches Schwarzes Loch entstand, das das umgebende Material sehr schnell absorbierte. Vor ihrer Entdeckung wurde bei J221951 eine rote Galaxie beobachtet, und der Standort von J221951 stimmt mit dem Zentrum der Galaxie überein, wo sich von Natur aus ein massereiches Schwarzes Loch befinden sollte. Es begann sehr plötzlich zu leuchten – etwa 10 Monate bevor es erstmals entdeckt wurde – was bedeutet, dass das Schwarze Loch sehr schnell zu fressen begann, nachdem es eine Weile ruhig war. Das ultraviolette Spektrum zeigt Absorptionsmerkmale, die mit Material übereinstimmen, das durch eine enorme Energiefreisetzung nach außen gedrückt wird. In Kombination mit der hohen Leuchtkraft ist dies einer der dramatischsten „Einschaltvorgänge“ eines Schwarzen Lochs, die jemals beobachtet wurden.

Das Team identifizierte zwei mögliche Mechanismen, die eine solch extreme Speisung eines supermassereichen Schwarzen Lochs erklären könnten. Erstens könnte es durch eine Gezeitenstörung verursacht worden sein – die Zerstörung eines Sterns, der sich dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum seiner Galaxie nähert. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass es durch einen aktiven galaktischen Kern verursacht worden sein könnte, der seinen Zustand von ruhend in aktiv geändert hat. J221951 würde dann signalisieren, dass das ruhende Schwarze Loch im Zentrum der Muttergalaxie begonnen hat, sich von Material aus der Akkretionsscheibe zu ernähren.

Dr. Matt Nicholl, ein Teammitglied der King's University Belfast, sagte: „Unser Verständnis der verschiedenen Dinge, die supermassive Schwarze Löcher bewirken können, hat sich in den letzten Jahren dank der Entdeckung von Starbursts und der Akkretion von Schwarzen Löchern mit extrem unterschiedlichen Leuchtkräften erheblich erweitert.“ " Er fügt hinzu: „J221951 ist eines der extremsten Beispiele dafür, wie ein Schwarzes Loch uns überrascht.“ Weitere Beobachtungen von J221951 zur Bestimmung der gesamten Energiefreisetzung könnten es uns ermöglichen festzustellen, ob es sich hierbei um eine Gezeitenabsorption des Sterns durch ein schnell rotierendes Schwarzes Loch oder um eine neue Art von AGN-Einschaltung handelt.“

Dr. N. Paul Quinn, ein weiteres Teammitglied vom Space Science Laboratory. Mallard vom University College London sagte: „Die wichtigste Entdeckung war, dass das von Hubble erhaltene ultraviolette Spektrum einen galaktischen Ursprung ausschloss.“ Dies zeigt, wie wichtig es ist, die Leistungsfähigkeit des weltraumgestützten UV-Spektrographen auch in Zukunft aufrechtzuerhalten.“

Dr. Samantha Oates fügt hinzu: „In Zukunft können wir möglicherweise wichtige Hinweise erhalten, um ein Gezeitenstörungsereignis von aktiven galaktischen Kernszenarien zu unterscheiden.“ Wenn beispielsweise J221951 mit dem Einschalten einer Supernova verbunden ist, könnten wir davon ausgehen, dass die Helligkeit aufhört zu verblassen und wieder an Helligkeit zunimmt. Wenn es sich bei J221951 hingegen um eine Gezeitenstörung handelt, würden wir davon ausgehen, dass die Helligkeit weiter abnimmt. Wir müssen J221951 in den nächsten Monaten und Jahren weiter beobachten, um sein spätes Verhalten zu erfassen.“

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