Schwarze Löcher haben eine neue Stellenbeschreibung: galaktische Mitochondrien. Das ist der Vergleich, den Wissenschaftler ziehen, und er ist kein Witz. Der Großteil der Energie, die diese supermassereichen Schwarzen Löcher erzeugen, stammt aus dem Material, das sie umgibt, insbesondere aus supererhitztem Plasma in ihren Akkretionsscheiben, das mit enormen Magnetfeldern interagiert. Aber es gibt eine direktere Möglichkeit, Energie aus einem Schwarzen Loch zu extrahieren, und eine neue Studie fragt, ob wir das Signal dieses Prozesses erkennen können.
Die Methode wird Penrose-Prozess genannt, eine Möglichkeit, Energie aus einem rotierenden Schwarzen Loch durch eine clevere Wendung des Raumes selbst zu extrahieren. Eine neue Studie fragt, ob wir möglicherweise Beweise für diesen Prozess entdecken können, der natürlich im Kosmos stattfindet.
Schwarze Löcher als Kraftwerke
Der Vergleich mit Mitochondrien ist in engem Sinne zutreffend. Mitochondrien sind die Kraftwerke von Zellen, die Energie aus Nahrung in eine Form umwandeln, die die Zelle nutzen kann. Galaktische Schwarze Löcher sind die Kraftwerke von Galaxien, die Materie in Licht und Strahlung auf kosmischer Ebene umwandeln. Die Ähnlichkeit besteht auf der Funktionsebene, auch wenn der Mechanismus überhaupt nichts mit der Biologie gemein hat.
Der Großteil der von einem Schwarzen Loch erzeugten Energie stammt aus dem Material, das darum herumwirbelt. Akkretionsscheiben bestehen aus supererhitztem Plasma, Gas, das durch Reibung und Gravitation auf Millionen von Grad erhitzt wird. Magnetfelder umschlingen die Scheibe, verdrehen und verstärken sich, bis sie Energie in explosiven Schüben freisetzen.
Der Penrose-Prozess
Der Penrose-Prozess funktioniert anders. Er verlässt sich überhaupt nicht auf umliegendes Material. Stattdessen wird Energie direkt aus der Rotation des Schwarzen Lochs extrahiert. Die Idee ist, dass Teilchen, die auf das Schwarze Loch zusteuern, Energie gewinnen können, indem sie sich etwas von der Rotation des Lochs „leihen“.
Hier ist der Ablauf in großen Zügen:
- Ein Teilchen nähert sich dem Schwarzen Loch auf einem Weg, der es in die Nähe des Ereignishorizonts bringt.
- Ein Teil der Masse-Energie des Teilchens wird in zusätzliche kinetische Energie umgewandelt.
- Das Teilchen entweicht mit mehr Energie, als es hatte, als es eintrat.
- Das Schwarze Loch dreht sich als Ergebnis etwas langsamer.
Der Handel ist nicht frei. Das Schwarze Loch verliert jedes Mal, wenn der Prozess abläuft, Drehimpuls, und würde dadurch schließlich verlangsamen. Aber über kurze Zeiträume kann der Prozess eine beträchtliche Energiemenge freisetzen.
Die Signatur entdecken
Die neue Studie fragt, ob wir eine Signatur dieses Prozesses in der Natur nachweisen könnten. Die Herausforderung besteht darin, dass der Penrose-Prozess ein subtiler Effekt ist und es schwierig ist, ihn von den üblichen „Feuerwerkskörpern“ einer Akkretionsscheibe zu unterscheiden. Die Studie beansprucht keine Entdeckung, sondern fragt lediglich, ob das Signal existiert und ob wir über empfindliche genug Instrumente verfügen, um es zu sehen.
Das Signal würde wahrscheinlich als ein bestimmtes Muster im Licht oder den Gammastrahlen auftreten, die von einem Schwarzen Loch kommen. Die genaue Form dieses Musters hängt von den Details ab, wie sich Teilchen in der Nähe des Ereignishorizonts bewegen. Das Aufspüren würde sorgfältige Beobachtungen und eine ausgeklügelte Analyse erfordern.
Ein Galaktischer PeVatron
Eines der interessantesten Ziele für diese Art der Suche ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Dieses Schwarze Loch ist ein natürliches Labor für die Untersuchung dieser Effekte. Es ist von einer Region intensiver Aktivität umgeben.
Der Galaktische Kern beherbergt einen galaktischen PeVatron, eine Quelle extrem energiereicher Teilchen. Das zentrale Schwarze Loch ist ein Hauptverdächtiger bei der Produktion dieser Teilchen. Der Penrose-Prozess könnte einen Teil dieser Teilchen erklären.
Was die Studie fragt
Die Studie beansprucht keine Entdeckung. Sie stellt eine Frage: Können wir Beweise dafür finden, dass Schwarze Löcher Energie durch den Penrose-Prozess verlieren? Die Antwort ist noch nicht bekannt, und die Studie liefert keine.
Was die Studie bietet, ist ein Rahmen für das Nachdenken darüber, wie wir nach einem solchen Signal suchen könnten. Sie fragt, ob wir eine Signatur des Penrose-Prozesses entdecken könnten.
Warum das wichtig ist
Der Penrose-Prozess ist ein schönes Beispiel für theoretische Physik, hat aber auch praktische Auswirkungen. Wenn wir bestätigen können, dass Schwarze Löcher auf diese Weise Energie verlieren, ändert sich unser Verständnis davon, wie sich diese Objekte im Laufe der Zeit entwickeln. Es bietet außerdem einen natürlichen Mechanismus zur Erzeugung der energiereichsten Teilchen im Universum.
Der Vergleich mit Mitochondrien ist eine nützliche Kurzform, aber er ist kein vollständiges Bild. Schwarze Löcher sind keine biologischen Maschinen. Sie sind Bereiche der Raumzeit, in denen die Gesetze der Physik auf eine Weise wirken, die uns seltsam erscheinen. Die Tatsache, dass sie eine funktionale Rolle mit zellulären Kraftwerken teilen, ist eine Erinnerung daran, wie tief miteinander verbunden das Universum ist, selbst über Maßstäbe hinweg, die völlig unterschiedlich erscheinen.
Die Studie ist eine Erinnerung daran, dass das Kosmos voller Überraschungen steckt. Sogar ein Schwarzes Loch, eines der furchterregendsten Objekte überhaupt, kann in Bezug auf Energieflüsse und Erhaltungssätze verstanden werden. Der Penrose-Prozess zeigt, dass das Universum nicht verschwenderisch ist. Energie, die aus der Rotation eines Schwarzen Lochs extrahiert wird, geht nicht für immer verloren; sie bewegt sich einfach an einen anderen Ort.
Ob wir dieses Signal erfassen können, ist eine offene Frage. Die Studie fragt, ob wir ein Penrose-Prozess-Signal erkennen können, und die Antwort hängt davon ab, ob unsere Instrumente scharf genug sind, um es zu sehen. Im Moment gilt der Vergleich: Schwarze Löcher sind die Kraftwerke der Galaxie, und wir beginnen erst, zu verstehen, wie sie funktionieren.
Quellenmaterial: „Neutrons, rotating black holes, and a galactic PeVatron at the center of the Milky Way“, Phys.org.
Das Notizbuch abonnieren.
Die besten Geschichten des Tages und jedes neue Urteil, in klarem Deutsch, um sieben im Postfach. Eine Mail am Tag, nicht mehr.