In einer Entdeckung, die unsere Wahrnehmung von Gravitation und der Dynamik des Universums neu definiert, haben Astronomen erstmals direkt eines der komplexesten Phänomene der Allgemeinen Relativitätstheorie aufgezeichnet: ein schwarzes Loch, das, während es rotiert, den Raum-Zeit um sich herum mitreißt und verformt.

Diese Beobachtung, die die Vorhersagen von Albert Einstein aus mehr als einem Jahrhundert bestätigt, stellt nicht nur einen theoretischen Sieg dar. Sie bietet Wissenschaftlern ein neues „Fenster“ in die Untersuchung der Physik schwarzer Löcher und deren Fähigkeit, Materie in den Weltraum auszustoßen.

Das Lense-Thirring-Phänomen und die „Wirbel“ der Raum-Zeit

Das beobachtete Phänomen wird als „Lense-Thirring-Präzession“ (frame-dragging) bezeichnet. Um dieses Phänomen zu verstehen, genügt es, sich einen Kreisel vorzustellen, der in einem Behälter gefüllt mit Honig rotiert. Während sich der Kreisel dreht, beginnt die zähflüssige Flüssigkeit, die ihn umgibt, sich mit ihm zu drehen und erzeugt einen Wirbel.

Im kosmischen Äquivalent ist der „Kreisel“ ein schnell rotierendes schwarzes Loch und der „Honig“ ist der Raum-Zeit selbst. Die Gravitationskraft ist so stark, dass sie nicht nur Materie anzieht, sondern auch die Beschaffenheit von Raum und Zeit verformt. Alles, was sich in der Nähe befindet – selbst Licht oder die Trümmer eines unglücklichen Sterns – wird gezwungen, dieser seltsamen, geschwungenen Bahn zu folgen.

Das Ereignis AT2020afhd: Wenn ein Stern die Geheimnisse der Gravitation offenbart

Das Forschungsteam, angeführt von den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit Unterstützung der Universität Cardiff, konzentrierte sich auf das Ereignis mit dem Code-Namen AT2020afhd. Dieses Ereignis ist eine Gezeitenstörung (Tidal Disruption Event – TDE), bei der ein Stern zu nah an ein supermassives schwarzes Loch herankam und durch die Gezeitenkräfte zerfetzt wurde.

Während die Überreste des Sterns eine Akkretionsscheibe um den unsichtbaren „Räuber“ bildeten, wurden Materieausbrüche mit Geschwindigkeiten ausgestoßen, die nahezu der von Licht entsprachen. Die Wissenschaftler bemerkten jedoch etwas Ungewöhnliches: sowohl die Scheibe als auch die Ausbrüche waren nicht stabil. Im Gegenteil, sie zeigten eine koordinierte Wobble-Bewegung, die sich in einem 20-tägigen Zyklus wiederholte.

Diese periodische Bewegung war der „Schlüssel“. Sie deutete darauf hin, dass die Rotation des schwarzen Lochs das Niveau der Scheibe und der Ausbrüche mitriss und sie dazu zwang, sich zu verändern, genau wie es das Lense-Thirring-Phänomen vorhersagt.

Von der Theorie zum Beweis: Der Beitrag der Technologie

Um dieses schwache Signal im kosmischen Rauschen herauszufiltern, mussten die Forscher Daten von zwei führenden Observatorien kombinieren: dem Weltraumteleskop Swift (Neil Gehrels Swift Observatory), das Röntgenstrahlen detektiert, und der VLA-Radioteleskop-Anlage (Karl G. Jansky Very Large Array).

Die Analyse der elektromagnetischen Spektren ermöglichte es dem Team, die Zusammensetzung und Struktur der Materialien, die am Phänomen beteiligt waren, zu bestimmen und andere mögliche Erklärungen für das ungewöhnliche Verhalten des Signals auszuschließen. Im Gegensatz zu früheren TDEs, die konstante Radiosignale emittierten, wies AT2020afhd kurzfristige Veränderungen auf, die nicht einfach auf die Freisetzung von Energie zurückgeführt werden konnten. Die einzige Erklärung, die perfekt zu den Daten passte, war die Verwirbelung der Raum-Zeit.

„Ein Geschenk für die Physiker“

Dr. Cosimo Inserra von der Universität Cardiff und Mitverfasser der Studie, die im wissenschaftlichen Journal Science Advances veröffentlicht wurde, bezeichnete die Entdeckung als den überzeugendsten Beweis, den wir bis heute für die Lense-Thirring-Präzession erhalten haben. „Unsere Studie zeigt ein schwarzes Loch, das die Raum-Zeit mit sich zieht, ähnlich wie ein Kreisel Wasser in einen Wirbel zieht. Dies stellt ein echtes Geschenk für Physiker dar, da wir Vorhersagen bestätigen, die vor einem Jahrhundert gemacht wurden.“

Über die historische Bestätigung hinaus hat diese Entdeckung enorme praktische Bedeutung für die Astrophysik. Wie Dr. Inserra anmerkt, können wir, indem wir den Mechanismus verstehen, durch den ein schwarzes Loch dieses gravito-magnetische Feld erzeugt – analog zu dem magnetischen Feld, das ein rotierendes geladenes Objekt erzeugt –, nun besser die Mechanik der Ausbrüche und das Verhalten der Materie unter extremen Gravitationsbedingungen entschlüsseln.

Eine neue Ära für die Astronomie

Der Erfolg dieser Beobachtung öffnet den Weg zu einer neuen Methode zur Entdeckung und Untersuchung schwarzer Löcher. Bisher stützen sich Wissenschaftler hauptsächlich auf die Masse und den Spin (Rotation), um sie zu charakterisieren. Nun fügt die Fähigkeit, ihren Einfluss auf die Struktur der Raum-Zeit zu erkennen, ein weiteres Werkzeug zum Arsenal der Astronomie hinzu.

Da sich die Technologie der Teleskope verbessert und unsere Fähigkeit zur Analyse komplexer Daten zunimmt, offenbart das Universum allmählich seine am besten gehüteten Mechanismen. Das Bild eines schwarzen Lochs, das mit der Raum-Zeit „tanzt“ und die Trümmer eines zerstörten Sterns mit sich zieht, erinnert uns daran, dass die Realität da draußen oft seltsamer und faszinierender ist als jede Theorie.