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Universität Würzburg - Astrophysiker Dr. Christian Fromm, der von der amerikanischen Harvard-Universität nach Würzburg gewechselt ist, erforscht Schwarze Löcher

Soviel Masse wie sechseinhalb Milliarden Sonnen

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Dieses Bild von 2019 ist der erste direkte visuelle Nachweis eines Schwarzen Lochs. Es befindet sich im Zentrum der riesigen Galaxie Messier 87. Um das Bild zu erstellen, haben Forscher acht Radioteleskope auf vier Kontinenten miteinander kombiniert. Dadurch entstand ein virtuelles Superteleskop, dessen Durchmesser so groß ist wie die Erde.

Würzburg. Von Harvard nach Würzburg: Der aus Bischofsheim in der Rhön stammende Astrophysiker Dr. Christian M. Fromm ist Anfang Oktober von der amerikanische Universität Harvard als Leiter einer Nachwuchsgruppe an den Lehrstuhl für Astronomie der Universität Würzburg gewechselt.

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Als Einstand präsentiert er ein Forschungsergebnis über Schwarze Löcher, das er mit anderen Forschenden im Journal „Nature Astronomy“ veröffentlicht hat.

Christian Fromm ist nach dem Studium in Aachen und Bonn und nach Forschungstätigkeiten in Valencia, Frankfurt/Main und Cambridge (MA) nach 18 Jahren wieder zurück in der fränkischen Heimat. „Ich bin ein echter Rhöner und versuche so oft ich kann, meine Familie und Freunde daheim zu besuchen“, sagt er.

In seiner Freizeit ist er gerne zu Fuß oder mit dem Fahrrad in der Rhön rund um Bischofsheim unterwegs. „Die Natur und der klare Nachthimmel, den man in Bischofsheim besonders im Winter bestaunen kann, haben mich schon als kleines Kind fasziniert und mich dazu motiviert, Physik zu studieren.“

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Durch die Initiative Sternpark Rhön und die aktive Reduzierung der Lichtemission könne man auch heute noch den Nachthimmel in der Rhön bestaunen. „Jedesmal wenn ich daheim in den Himmel schaue, denke ich, dass Physik zu studieren die richtige Entscheidung war.“

Gewaltiger Teilchenstrahl

Fromms neueste Veröffentlichung behandelt ein neues Computermodell für Schwarze Löcher.

So schieße das Schwarze Loch der Riesengalaxie M87 einen gewaltigen Teilchenstrahl aus. Von ihm sei nun ein theoretisches Modell entwickelt worden, „das sehr gut zu den astronomischen Beobachtungen passt.“

Die Galaxie Messier 87 (M87) befindet sich 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Virgo. Sie ist eine Riesengalaxie mit 12 000 Kugelsternhaufen – im Vergleich dazu wirken die 200 Kugelsternhaufen der Milchstraße sehr bescheiden. Im Zentrum von M 87 befindet sich ein Schwarzes Loch von sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen. Es ist das erste Schwarze Loch, von dem ein Bild existiert, erstellt 2019 von der internationalen Forschungskollaboration „Event Horizon Telescope“.

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Dieses Schwarze Loch schießt einen Plasmastrahl mit annähernder Lichtgeschwindigkeit in einer Größenordnung von 6000 Lichtjahren aus. Die enorme Energie, die für diesen sogenannten relativistischen Jet benötigt wird, stammt wahrscheinlich aus der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs. Wie ein solcher Jet zustande kommt und was ihn über die enorme Entfernung stabil hält, ist bislang nicht vollständig geklärt.

Supercomputer-Berechnungen

Das Schwarze Loch der Galaxie M 87 zieht Materie an, die in einer Scheibe auf immer kleineren Bahnen rotiert, und verschluckt sie dann. Aus dem Zentrum dieser Scheibe wird der Jet ausgestoßen.

Astrophysiker der Goethe-Universität Frankfurt haben nun mit Forschenden der Universität Harvard, der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), der Universität Shanghai, des University College London, der Universität Amsterdam, der Radboud Universität Nijmegen und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn diese Region sehr detailliert modelliert.

Das Team verwendete hoch entwickelte dreidimensionale Supercomputer-Simulationen, welche die schwindelerregende Menge von einer Million CPU-Stunden pro Simulation verbrauchen. Gleichzeitig musste es die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, die Gleichungen des Elektromagnetismus von James Maxwell und die Gleichungen der Fluiddynamik von Leonhard Euler lösen.

Das Ergebnis war ein Modell, in dem die berechneten Werte für die Temperaturen, die Materiedichten und die Magnetfelder bemerkenswert gut mit den aus den astronomischen Beobachtungen abgeleiteten Werten übereinstimmen. Die Forschenden stellen ihr Ergebnis im „Journal Nature Astronomy“ vor.

Auf Grundlage des Modells konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die komplexe Bewegung von Photonen in der gekrümmten Raumzeit des innersten Bereichs des Jets verfolgen und in Radiobilder umsetzen.

Anschließend konnten sie diese im Computer modellierten Bilder mit den Beobachtungen vergleichen, die in den vergangenen drei Jahrzehnten mit zahlreichen Radioteleskopen und Satelliten gemacht wurden.

Dr. Alejandro Cruz-Osorio, Frankfurter Hauptautor der Studie: „Unser theoretisches Modell der elektromagnetischen Emission und der Jet-Morphologie von M 87 stimmt erstaunlich gut mit den Beobachtungen im Radio-, optischen und Nahinfrarotbereich überein. Daraus können wir schließen, dass das supermassereiche Schwarze Loch von M 87 wahrscheinlich stark rotiert und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch Teilchen auf Skalen von Tausenden von Lichtjahren beschleunigt werden.“

Einstein bestätigt

Professor Luciano Rezzolla, ebenfalls von der Goethe-Universität Frankfurt: „Die Tatsache, dass die von uns berechneten Bilder so gut mit den astronomischen Beobachtungen übereinstimmen, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die genaueste und natürlichste Erklärung für die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien ist. Es gibt zwar immer noch Raum für alternative Erklärungen, aber die Ergebnisse unserer Studie haben diesen Raum deutlich verkleinert.“

An der Studie beteiligt war auch Dr. Christian M. Fromm, der Anfang Oktober 2021 von der Universität Harvard als Leiter einer Nachwuchsgruppe an den JMU-Lehrstuhl für Astronomie gewechselt ist: „In den kommenden Jahren werden wir in der DFG-Forschergruppe ‚Relativistische Jets‘ an der JMU und an Partnerinstituten im In- und Ausland die Entstehung von Jets und die zugrundeliegenden Teilchenbeschleunigungsmechanismen im gesamten elektromagnetischen Spektrum mit modernen Computersimulationen und modernsten Beobachtungen weiter untersuchen.“

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