Um Partikel auf eine Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, benötigen Sie eine leistungsstarke Energiequelle. Im Weltraum können Sterne Teilchen auf ziemlich hohe Energien beschleunigen, und Supernova-Explosionen können noch stärkere Blitze erzeugen. Die stärksten permanenten Quellen für energiereiche Partikel sind supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren der größten Galaxien. Aber der Leser konnte angesichts der Strukturen auf den größten Skalen der Universen etwas nicht verstehen:
Das Video aus der Illustris-Simulation [Computerkosmologische Simulation der Entstehung von Galaxien] hat mir so gut gefallen, dass ich seine Beschreibung ausgegraben habe. Und er war überrascht: "Was Explosionen zu sein scheinen, kommt tatsächlich von supermassiven Schwarzen Löchern, die Materialströme in den intergalaktischen Raum senden und dabei riesige Blasen herausschneiden." Das ist für mich unverständlich, weil ich dachte, dass diese Materialströme in Richtung einer Achse fliegen und keine Kugeln zeichnen.
Wenn einer von Ihnen es nicht gesehen hat, ist hier eine Simulation aus dem Illustris-Projekt, die die Entwicklung von großräumigen Strukturen, dunkler Materie, Gas und gewöhnlicher Materie von den frühesten Stadien der Entwicklung des Universums bis zum heutigen Tag zeigt.
In dem Video sind ab etwa 1:08 Uhr und insbesondere ab 1:25 Uhr, wenn dort dunkle Materie neben dem Gas erscheint, Explosionen in den größten Knoten der großräumigen Struktur des Universums erkennbar. Sie können mit Supernova-Explosionen verwechselt werden, aber tatsächlich würden solche Explosionen zu oft auftreten - mehrere Zehntausende Male für jeden Frame der Simulation. Wir können nicht einmal dunkle Materie sehen, aber die Simulation zeigt dies, um das Phänomen zu verstehen, das eine Gravitationswechselwirkung ausübt. Und wenn Sie daran interessiert sind, wie sich die Gravitationseffekte von der Bildung von Strukturen und den Auswirkungen normaler Materie - meist in Form eines Gases - unterscheiden, kann die Simulation dies demonstrieren.
Während dunkle Materie diese einfachen fadenförmigen Strukturen bildet, die nur durch die Anziehungskraft und Expansion des Universums gesteuert werden, ist die Physik der normalen Materie - Gas aus Protonen, Neutronen und Elektronen - viel komplizierter. Gas sammelt sich nicht nur in Klumpen und kann so Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen bilden. Es ist auch empfindlich gegenüber einer ganzen Reihe elektromagnetischer Kräfte. Dies bedeutet, dass es sich in kleinen Maßstäben stärker als dunkle Materie bündelt und in großen intergalaktischen und intermikroskopischen Maßstäben stärker verteilt ist, da Gas (und ionisiertes Gas in Form eines Plasmas) auf große Geschwindigkeiten beschleunigen können.
Das Video mit vier Feldern zeigt die Sterne und das sichtbare Licht, die in einem Raum von 33 Millionen Lichtjahren im oberen linken Bereich erzeugt werden sollen, die Gasdichte im oberen rechten Bereich und - was am wichtigsten ist - die Gastemperatur im unteren linken Bereich. Achten Sie darauf, wie die Temperatur des Gases an den Stellen derselben kugelförmigen Explosionen ansteigt, die hauptsächlich auf supermassereiche Schwarze Löcher zurückzuführen sind. Es gibt andere wichtige Mechanismen für die Erwärmung und Rückkopplung von Gas, aber speziell diese Merkmale treten aufgrund von Explosionen von supermassiven Schwarzen Löchern auf, die Millionen bis Hunderte von Millionen von Jahren dauern.
Galaxy Centauri A, eine Zusammensetzung aus sichtbarem Licht, Infrarot- und RöntgenstrahlungAber ich verstehe, warum Sie erwarten, dass diese Erwärmung die Form gebündelter Strömungen annimmt, denn genau das beobachten wir zum Beispiel bei supermassiven Schwarzen Löchern im Herzen der Centaurus A-Galaxie oder in der riesigen elliptischen Galaxie Messier 87 unten.
Galaxy M87 und stark kollimierter Fluss von 5000 LichtjahrenWenn also Materie in diesen Strömungen durch solch hochkonzentrierte lineare Strahlen beschleunigt wird, warum wird das Gas dann auf solch offensichtlich kugelförmige Weise erhitzt und expandiert? Um diese Frage zu beantworten, werde ich Sie bitten, über etwas nachzudenken, an das Sie sich normalerweise nicht erinnern: dass das Universum, das wir sehen, nicht mit dem realen übereinstimmt. Hier ist zum Beispiel ein Foto derselben Galaxie, M87, und ihres Strahls, das im Röntgenbereich vom Chandra-Teleskop (blau) und in Radiowellen vom VLT-Teleskop (rot) anstelle des vom Hubble-Teleskop im sichtbaren und ultravioletten Bereich erhaltenen Bildes sichtbar ist.
Und das sind keine Jets, oder? Sie sind nicht kugelförmig, aber sie werden definitiv nicht zu einer Linie erweitert. Dafür gibt es zwei Gründe:
1. Gas und gewöhnliche Materie werden ständig von großen Galaxien und allen großräumigen Strukturen angezogen, und die meisten von ihnen passieren ruhig diesen Strahl.
2. Selbst wenn sich die Galaxie nicht bewegt, dreht sich das Gas am Stadtrand und macht ungewöhnliche Bewegungen, was zu einer gleichmäßigen Verteilung führt.
Sogar unsere Milchstraße mit ihrem eher ruhigen und kleinen supermassiven Schwarzen Loch zeigt zwei riesige Blütenblätter energiereicher Strahlung, die vom Fermi-Teleskop erfasst werden.
Die aktive Forschung, die die Strahlung einer Vielzahl von Quellen untersucht, ist nicht nur dank digitaler Simulationen, einschließlich des Illustris-Projekts, sondern auch in den Jahren vor ihrem Erscheinen sehr weit gekommen. Bei diesen Explosionen in der Illustris-Simulation beobachten Sie nicht das sichtbare Licht, sondern die Temperatur des Gases, und was passiert, ist auf die Reaktion des Schwarzen Lochs zurückzuführen. Dies sollte als Erinnerung daran dienen, dass beim Blick in das Universum sowohl durch Observatorien als auch durch Simulationen viel mehr Ereignisse darin stattfinden, als aufgrund des Lichts von Sternen, die unsere Augen erreichen, wahrnehmbar ist.
Obwohl sichtbares Licht nur von einem schmalen Abschnitt des Strahls emittiert werden kann, bewirkt die spezifische Bewegung des ihn umgebenden Gases in Verbindung mit den einfachsten physikalischen Effekten der Wärmeübertragung alles, dass das Energiegas im Raum verteilt wird und nicht nur entlang gerader Linien. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Explosionen, die Sie sehen, kein sichtbares Licht oder Materie sind. Dies sind Abbildungen der Temperatur des Gases, und es sind diese Explosionen, die um aktive Schwarze Löcher auftreten!