XRISM entdeckt heißen inneren Materiestrom, der den gewaltigen Jet eines Schwarzen Lochs antreiben könnte

Ein schnell Materie aufnehmendes Schwarzes Loch gibt eine entscheidende innere Grenze preis

Ein supermassereiches Schwarzes Loch in etwa 420 Millionen Lichtjahren Entfernung verdankt seinen gewaltigen Jet möglicherweise einer Veränderung der Form und Temperatur der Materie, die auf es zuströmt. Beobachtungen der Galaxie 3C 120 deuten darauf hin, dass ihre vergleichsweise kühle, flache Scheibe vor dem Schwarzen Loch endet. Dahinter liegt eine innere Region mit deutlich heißerem Plasma, in der sich starke Magnetfelder sammeln könnten.

Ein Team unter Leitung von Hirofumi Noda, außerordentlicher Professor an der Universität Tohoku, und Kazuhiro Hada, außerordentlicher Professor an der Städtischen Universität Nagoya, kombinierte Beobachtungen der japanischen Mission XRISM zur Röntgenbildgebung und Spektroskopie mit Messungen von drei internationalen Radioteleskopnetzwerken. Zusammen brachten die Instrumente die Struktur der einströmenden Materie mit dem schmalen Jet in Verbindung, der nahe dem Schwarzen Loch entsteht.

Die am 19. Oktober 2026 in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Ergebnisse gehen einem Rätsel nach: Wie kann ein Schwarzes Loch rasch Materie verschlingen und zugleich einen gewaltigen Plasmastrom mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausstoßen? Die Art von Scheibe, die man bei einer raschen Materieaufnahme erwartet, galt als wenig geeignet, die für diesen Vorgang nötigen Magnetfelder zu sammeln.

In einer am 20. Oktober veröffentlichten Forschungsmitteilung der Universität Tohoku wird eine mögliche Erklärung vorgestellt. Die kühlere äußere Scheibe geht demnach in einen heißen inneren Materiestrom über. So entstehen Bedingungen, unter denen Magnetfelder der Rotation des Schwarzen Lochs Energie entziehen und sie in einen Jet lenken könnten.

Warum 3C 120 ein Rätsel aufgibt

3C 120 liegt in Richtung des Sternbilds Stier. Das zentrale Schwarze Loch hat etwa die 60 Millionenfache Masse der Sonne. Es nimmt rasch umgebende Materie auf und erzeugt zugleich einen gewaltigen Jet. Diese Kombination macht es zu einem geeigneten Objekt, um zu untersuchen, wie Materieaufnahme und Jetbildung zusammenhängen.

Materie, die sich einem Schwarzen Loch nähert, bewegt sich gewöhnlich auch seitwärts. Deshalb kreist sie auf dem Weg nach innen, statt direkt hinabzufallen. Sie sammelt sich in einer Akkretionsscheibe, in der Reibung und andere Prozesse das Material so stark erhitzen, dass es Licht und andere Strahlung aussendet. Astronomen untersuchen diese Strahlung, um eine Region zu verstehen, die sie nicht direkt beobachten können.

Bei einer raschen Materieaufnahme erwartet man im Allgemeinen eine vergleichsweise kühle, geometrisch dünne Scheibe, die bis nahe an das Schwarze Loch heranreicht. „Kühl“ ist dabei im Vergleich zum deutlich heißeren Plasma in Zentrumsnähe zu verstehen. Eine dünne Scheibe ist im Verhältnis zu ihrer Breite nur wenig dick, ähnlich einem flachen Blatt.

Die Schwierigkeit liegt bei den Magnetfeldern. Einer führenden Erklärung zufolge erfordern gewaltige Jets starke Magnetfelder nahe einem rotierenden Schwarzen Loch. Eine dünne Scheibe kann die dafür nötige Feldstruktur vermutlich nur schwer aufrechterhalten. Ein heißer, dickerer innerer Materiestrom bietet günstigere Bedingungen. Deshalb steht die Frage, wo die Scheibe ihre Form verändert, im Mittelpunkt der Untersuchung.

XRISM untersucht die Scheibe anhand von Eisen

XRISM, eine Mission der japanischen Weltraumagentur JAXA, registrierte Röntgenstrahlung, die von Eisen in der Materie rund um das Schwarze Loch von 3C 120 ausgesendet wird. Eisen strahlt bei charakteristischen Energien und erzeugt im Röntgenspektrum ein erkennbares Merkmal, eine sogenannte Emissionslinie. Ein Spektrum ordnet Strahlung nach ihrer Energie.

In der Nähe eines Schwarzen Lochs verändert sich die Form der Eisenlinie. Bewegt sich Materie auf einen Beobachter zu oder von ihm weg, verschiebt sich die Energie der empfangenen Strahlung. Auch die starke Gravitation in der Nähe des Schwarzen Lochs verändert die Energie der entweichenden Röntgenstrahlung. Zusammen verbreitern und verzerren diese Effekte die Linie.

Die Forschenden nutzten diese Verzerrung, um abzuschätzen, wie weit sich die vergleichsweise kühle Scheibe nach innen erstreckt. Laut der Universität liegt ihr innerer Rand etwa beim 20-Fachen des Schwarzschildradius des Schwarzen Lochs. In der wissenschaftlichen Beschreibung wird die Grenze mit ungefähr 20 Gravitationsradien angegeben, einer Entfernungsgröße, die sich aus der Masse des Schwarzen Lochs ergibt.

Innerhalb dieser Grenze vermutet das Team einen Übergang zu einem heißen, geometrisch dicken Materiestrom. Das Plasma dort dürfte Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad erreichen. Plasma ist ein Gas, in dem sich die Elektronen von den Atomen gelöst haben. Dadurch kann das Material stark mit Magnetfeldern wechselwirken.

Radioteleskope verfolgen den Jet bis zu seinem Ursprung

Etwa zeitgleich aufgenommene Radiobeobachtungen lieferten die andere Hälfte des Bildes. Das Team nutzte das Global Millimeter VLBI Array, das Very Long Baseline Array und das East Asian VLBI Network, um den Jet bis in die Nähe des Schwarzen Lochs zu verfolgen, wo er sich verengt.

Diese Netzwerke kombinieren Messungen weit voneinander entfernter Teleskope mithilfe der Very Long Baseline Interferometry, kurz VLBI. Mit dieser Methode können Astronomen deutlich feinere Details erkennen, als es einem einzelnen Radioteleskop möglich wäre. In dieser Studie konnten sie damit den Jet bis zu seinem Ursprung zurückverfolgen.

Anhand der Form des Jets schätzten die Forschenden, dass sein Ausgangsbereich einen Radius von höchstens etwa zehn Schwarzschildradien hat. Ihrer gemeinsamen Interpretation zufolge liegt der Ursprung des Jets innerhalb des anhand der Röntgenmessungen ermittelten heißen inneren Materiestroms, nahe am Schwarzen Loch.

Noda, außerordentlicher Professor an der Universität Tohoku und einer der beiden Leiter der Studie, erläuterte, warum die Kombination der Beobachtungen wichtig war:

Indem wir dasselbe Schwarze Loch mit hochmodernen Röntgen- und Radioteleskopen untersuchten, konnten wir sowohl das heiße Plasma rund um das Schwarze Loch als auch den daraus hervorgehenden Jet beobachten. So lässt sich die extreme Umgebung in der Nähe des Schwarzen Lochs direkt mit der Entstehung des Jets in Verbindung bringen.

Wie die Rotation Energie für den Jet liefern könnte

Die Erklärung des Teams verknüpft drei Komponenten: ein rotierendes Schwarzes Loch, einen heißen Strom einfallenden Plasmas und starke Magnetfelder. Die kühlere äußere Scheibe liefert Materie. Näher am Schwarzen Loch bietet der heißere und dickere Materiestrom eine Region, in der sich Magnetfelder leichter ansammeln können.

Diese Felder könnten dem Schwarzen Loch einen Teil seiner Rotationsenergie entziehen und sie in einen schmalen Plasmastrom lenken. Die führende theoretische Beschreibung dieses Vorgangs heißt Blandford-Znajek-Mechanismus. Vereinfacht gesagt verbinden Magnetfelder die rotierende Umgebung des Schwarzen Lochs mit Materie, die nach außen beschleunigt wird.

Der Jet wird demnach in der Nähe des Schwarzen Lochs angetrieben, während andere Materie weiterhin nach innen fällt. Im System laufen also zwei miteinander verbundene Ströme ab: Materie fließt nach innen, während ein nach außen gerichteter Strom Energie in die umgebende Galaxie trägt.

Für 3C 120 vermuten die Forschenden, dass der Übergang von einer dünnen äußeren Scheibe zu einem dicken inneren Materiestrom diese beiden Bewegungen miteinander vereinbar macht. Wie genau die Magnetfelder strukturiert sind und wie Rotationsenergie auf den Jet übertragen wird, muss noch weiter untersucht werden.

Ein Strukturwechsel bringt die Messungen zusammen

Der Titel der Studie, „Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole“ („Das Ende der Scheibe löst den Start eines relativistischen Jets bei einem rasch Materie aufnehmenden supermassereichen Schwarzen Loch aus“), fasst den vermuteten Zusammenhang zusammen. Das Ende der Scheibe bedeutet, dass der kühlere, dünne Teil endet, bevor er das Schwarze Loch erreicht. „Relativistisch“ bezeichnet eine Bewegung, bei der Einsteins Relativitätstheorie für das Verständnis unerlässlich wird.

Die Röntgenmessungen bestimmen den inneren Rand der kühleren Scheibe. Die Radiomessungen verfolgen den Jet bis in eine Region innerhalb dieses Randes zurück. Zusammengenommen liefern die Beobachtungen den Forschenden eine räumliche Erklärung dafür, wie in einem System mit rascher Materieaufnahme Bedingungen für einen gewaltigen Jet bestehen können.

Das geht über den bloßen Nachweis einer Scheibe und eines Jets beim selben Objekt hinaus. Die Studie verknüpft die Veränderung der Scheibenstruktur mit dem Ort, an dem der Jet entsteht, und bringt so die ein- und ausströmende Materie in ein gemeinsames physikalisches Bild.

3C 120 ist besonders aufschlussreich, weil es vergleichsweise rasch Materie aufnimmt. Die Studie stellt das Objekt aktiven Galaxien mit geringerer Materieaufnahme wie M87 gegenüber. Dort haben heiße, dicke Materieströme bereits dazu beigetragen, die Erklärung der Jetbildung durch Magnetfelder zu untermauern. Das neue Ergebnis weitet die Untersuchung auf ein anderes Umfeld der Materieaufnahme aus.

Warum das Ergebnis über eine einzelne Galaxie hinaus Bedeutung hat

Jets tragen Energie aus der unmittelbaren Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher hinaus. Wenn sie mit Gas in Galaxien und deren Umgebung wechselwirken, können sie die Bedingungen für die Sternentstehung verändern. Den Motor nahe einem Schwarzen Loch zu verstehen, hilft Forschenden daher auch, Vorgänge auf deutlich größeren Skalen zu untersuchen.

Die Ergebnisse zu 3C 120 stellen einen konkreten Zusammenhang zwischen diesen Skalen her: Die Struktur der einströmenden Materie könnte mitbestimmen, ob sich ein gewaltiger Jet bildet. Eine Grenze nahe dem Schwarzen Loch könnte beeinflussen, wie Energie weit über dessen unmittelbare Umgebung hinaus abgegeben wird.

Das Team führt mit XRISM und globalen Radioobservatorien weitere koordinierte Beobachtungen eines massereicheren Schwarzen Lochs durch. Außerdem wollen die Forschenden die Messungen mit theoretischen Modellen und Computersimulationen vergleichen, um zu prüfen, wie gut die vorgeschlagene Geometrie das Verhalten von Materie und Magnetfeldern erklärt.

Noda beschrieb das Ziel der nächsten Forschungsphase:

Unser nächstes Ziel ist es, ein vollständigeres Bild davon zu gewinnen, wie Materie, Magnetfelder und die Rotation Schwarzer Löcher in diesen extremen Umgebungen zusammenwirken. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses könnte uns auch dabei helfen, den Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Entwicklung von Galaxien und den größeren Strukturen des Universums besser zu verstehen.

Veröffentlichung und weitere Beobachtungen

Die Studie vereint eine japanische Röntgenmission mit Radioteleskopnetzwerken aus mehreren Regionen. Ihre sich ergänzenden Messungen sind für die Methode entscheidend: Röntgenstrahlung zeigt die Bedingungen im Akkretionsstrom, während Radiobeobachtungen die Struktur des Jets nachzeichnen.

Die Veröffentlichung und die geplanten Folgearbeiten im Überblick:

• 19. Oktober 2026: The Astrophysical Journal Letters veröffentlichte die von Noda und Hada geleitete Studie.
• 20. Oktober 2026: Die Universität Tohoku gab die Ergebnisse bekannt und beschrieb die kombinierten Röntgen- und Radiobeobachtungen.
• Nächste Phase: Das Team führt koordinierte Beobachtungen eines massereicheren Schwarzen Lochs durch und vergleicht die Ergebnisse mit Modellen und Simulationen.

Die Studie hat den DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Diese Angaben sind auch in der offiziellen Mitteilung zur Studie aufgeführt. Mit derselben Beobachtungsmethode an einem weiteren Schwarzen Loch kann das Team prüfen, ob der bei 3C 120 gefundene Strukturwechsel auch in einem anderen System auftritt.

Wichtige Erkenntnisse

• XRISM und drei Radioteleskopnetzwerke untersuchten 3C 120, das etwa 420 Millionen Lichtjahre entfernt ist.
• Das Schwarze Loch der Galaxie hat etwa die 60 Millionenfache Masse der Sonne. Es nimmt rasch Materie auf und stößt zugleich einen gewaltigen Jet aus.
• Röntgenmessungen deuten darauf hin, dass die kühlere, dünne Scheibe vor dem Schwarzen Loch endet und in einen deutlich heißeren inneren Materiestrom übergeht.
• Radiobeobachtungen verfolgen den Ursprung des Jets bis in die Region dieses heißen Materiestroms zurück.
• Das Team vermutet, dass sich dort ansammelnde Magnetfelder die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs nutzen können, um den Jet anzutreiben.
• Weitere Beobachtungen sollen ein massereicheres Schwarzes Loch untersuchen und die Erklärung anhand theoretischer Modelle und Simulationen prüfen.