5000 Lichtjahre voller Rätsel: Der Jet, der Astronomen seit 1918 beschäftigt
Schwarzes Loch M87*: Neue Simulationen erklären den Jet. Magnetfelder und Rekonnexion treiben den 5000 Lichtjahre langen Strahl an.
Der 5000-Lichtjahre-Jet des Schwarzen Lochs M87* entsteht nicht nur durch Magnetfelder. Supercomputer zeigen die Rolle der Rekonnexion.
Foto: Meringolo, Camilloni, Rezzolla (2025)
Im Zentrum der Riesengalaxie M87 befindet sich das Schwarze Loch M87*. Es besitzt etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen und rotiert mit hoher Geschwindigkeit. Von dort geht ein Jet aus, der sich über rund 5000 Lichtjahre erstreckt und nahezu Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Erstmals beobachtet wurde dieser Strahl 1918 vom Astronomen Heber Curtis. Wie er entsteht, war lange unklar. Forschende der Goethe-Universität Frankfurt haben nun mit einem neu entwickelten Supercomputer-Code neue Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse gewonnen.
Inhaltsverzeichnis
Fleck im Sternbild Jungfrau bereits 1781 entdeckt
1781 notierte Charles Messier den „87. Nebel ohne Sterne“ in seinem Katalog. Damals ahnte niemand, dass hinter dem Fleck im Sternbild Jungfrau eine gigantische Galaxie steckt. Mehr als ein Jahrhundert später entdeckte Curtis dann den Strahl, der aus ihrem Zentrum schießt. Eine Beobachtung, die sich erst mit moderner Physik erklären lässt.
Im Kern der Galaxie sitzt M87*. Dieses Schwarze Loch dreht sich schnell um sich selbst. Die Rotation setzt Energie frei – und genau diese Energie wird offenbar genutzt, um Teilchen zu beschleunigen und als Strahl hinauszuschleudern.
Simulationen am Rechenlimit
Damit ein Jet entsteht, spielen Magnetfelder eine entscheidende Rolle. Der gängige Erklärungsansatz lautet Blandford-Znajek-Mechanismus: Magnetfelder verankern sich im Schwarzen Loch und zapfen seine Rotationsenergie an. Das Team um Professor Luciano Rezzolla hat nun mit dem „Frankfurt particle-in-cell code for black hole spacetimes (FPIC)“ berechnet, dass dabei noch mehr passiert.
„Die Simulation solcher Prozesse ist entscheidend für das Verständnis der komplexen Dynamik relativistischer Plasmen in gekrümmten Raumzeiten in der Nähe kompakter Objekte, die durch das Zusammenspiel extremer Gravitations- und Magnetfelder bestimmt werden“, erklärt Dr. Claudio Meringolo, Hauptentwickler des Codes.
Magnetfelder reißen auf – und zünden Funken
Die Frankfurter Simulationen zeigen: Neben dem bekannten Mechanismus greift noch ein zweiter Prozess. Magnetische Rekonnexion. Das klingt sperrig, bedeutet aber im Kern: Magnetfeldlinien reißen auf und verbinden sich neu. Dabei setzen sie gespeicherte Energie frei – als Wärme, Strahlung und Plasmaeruptionen.
„Unsere Ergebnisse eröffnen die faszinierende Möglichkeit, dass der Blandford-Znajek-Mechanismus nicht der einzige astrophysikalische Prozess ist, der Rotationsenergie aus einem Schwarzen Loch extrahieren kann“, sagt Dr. Filippo Camilloni. „Sondern dass auch die magnetische Rekonnexion dazu beiträgt.“
Im Modell entstehen dadurch Plasmoide – kleine Plasma-Blasen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Blasen verstärken den Jet.
Rechenpower aus Frankfurt und Stuttgart
Solche Rechnungen laufen nicht mal eben auf einem normalen Computer. Sie verschlingen Millionen Stunden Rechenzeit. Genutzt wurden dafür die Supercomputer „Goethe“ in Frankfurt und „Hawk“ in Stuttgart.
Nur mit dieser Rechenpower lassen sich Maxwells Gleichungen für elektromagnetische Felder und die Bewegung geladener Teilchen gleichzeitig mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verknüpfen.
Was das für unser Bild vom All bedeutet
Jets wie der von M87* sind keine exotischen Nebensächlichkeiten. Sie beeinflussen, wie Galaxien wachsen, wie sich Gas verteilt und wo neue Sterne entstehen. Wer also versteht, wie sie entstehen, versteht ein Stück weit auch die Entwicklung des Universums.
Professor Rezzolla erläutert es: „Wir können mit unserer Arbeit zeigen, wie Energie effizient aus rotierenden Schwarzen Löchern extrahiert und in Jets kanalisiert wird. So können wir dazu beitragen, die extremen Leuchtkräfte aktiver Galaxienkerne sowie die Beschleunigung von Teilchen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit erklären.“
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