Neue Erkenntnisse: turbulente Magnetfelder und Plasma erklären Röntgenstrahlung von Schwarzen Löchern

BerlinForscher der Universität Helsinki haben das Rätsel gelöst, warum Schwarze Löcher Röntgenstrahlen aussenden – eine Frage, die seit den 1970er Jahren die Wissenschaft beschäftigt. Sie fanden heraus, dass die Röntgenstrahlen durch Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und Plasma entstehen. Mithilfe von Supercomputer-Simulationen entdeckten sie, dass die Magnetfelder Turbulenzen im Plasma verursachen, was dieses erhitzt und zur Emission von Röntgenstrahlen führt.

Forscher haben Materiescheiben untersucht, die sich um Schwarze Löcher bilden. Wenn ein großer Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert, kann er einen nahen Begleitstern haben. Materie von diesem Begleitstern bewegt sich in Richtung des Schwarzen Lochs und leuchtet dabei hell als Röntgenstrahlung in Form einer Akkretionsscheibe. Wissenschaftler vermuten, dass diese Röntgenstrahlung durch Wechselwirkungen zwischen Gas und Magnetfeldern entsteht, ähnlich wie bei Sonnenflares.

Hauptfunde umfassen:

• Chaotische Magnetfelder erzeugen Turbulenzen im Plasma rund um schwarze Löcher.
• Turbulenzen erwärmen das Plasma, wodurch es Röntgenstrahlen abgibt.
• Quantenmechanische Effekte spielen eine bedeutende Rolle in diesen Plasmazuständen.
• Plasma kann durch äußere Strahlung in zwei Gleichgewichtszuständen existieren.

Die Simulationen zeigten, dass die Turbulenzen so stark sind, dass Quanteneffekte eine wichtige Rolle spielen. In dem Elektron-Positron-Plasma können Photonen sich in Elektronen und Positronen umwandeln und wieder zurück. Dies ist bedeutend, da diese Teilchen normalerweise nicht oft zusammen vorkommen. Die hohen Energien in der Nähe von Schwarzen Löchern machen dies möglich.

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Die Einbeziehung dieser Quanteneffekte in die Modelle war zeitaufwendig, aber unverzichtbar. Dadurch konnte klar festgestellt werden, woher die Röntgenstrahlung stammt. Abhängig von der externen Strahlung kann das Plasma entweder durchsichtig und kalt oder dicht und heiß sein. Diese Erkenntnisse erklären die unterschiedlichen Röntgenzustände, die in den Akkretionsscheiben beobachtet werden.

Die Studie hat bedeutende Auswirkungen. Durch das Erforschen dieser extremen Umgebungen können Wissenschaftler hochenergetische Ereignisse im Weltraum besser verstehen. Dies könnte zukünftige Forschungen in der Astrophysik beeinflussen und zur Erstellung präziserer Modelle beitragen.

Das Projekt erhielt €2,2 Millionen vom Europäischen Forschungsrat, um die Wechselwirkung zwischen Plasma und Strahlung zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht und stellen einen bedeutenden Fortschritt in der rechnergestützten Plasmaphysik dar.