Hybrid-Jets Schwarzer Löcher

[gravi]

Mittels einer Supercomputer- Simulation zieht man die Entstehung von so genannten Hybrid- Jets in Betracht.

Hierbei soll neben dem von der Akkretionsscheibe erzeugten Magnetfeld auch die hiermit gekoppelte Strahlung eine Rolle spielen.
Der genaue Entstehungsmechanismus der Jets ist ja nach wie vor noch unklar.

Gefunden bei:

http://www.nao.ac.jp/E/

Gruß
gravi

[wilfried]

Tag Werner

meine Antwort mag ein Schnellschuss sein...man möge es mir dann verzeihen

Es ist ja so, dass Materie unter hoher Energie stehend ionisiert wird, zumindest wird sie elektrisch als auch magnetisch reagieren.

Eine Akkretionscheibe besitzt i.A. eine recht hohe Energie. Damit erwarte ich solche "Hybridreaktionen". Solch ein Jet wird sich als Mherfachwirbel -durchaus ähnlich der Wirbel des Sonnenmagnetfelds- zeigen.

Ketzerisch gefragt: was soll daran so neu sein?

Netten Gruß

Wilfried

[deltaxp]

ich tippe dass den leuten qualitativ das zwar klar ist, aber wahrscheinlich gibt es nur wenige quantitative berechnungen, die die die jetauswurf-struktur bei nem gefütterten sl zufriedenstellend wiedergeben können wegen der komplexen wechselwirkungen

[wilfried]

Guten Tag zusammen

dem was deltapx schreibt stimme ich zu. Hochkomplexe Felder zu berechnen geht prinzipiell, jedoch ist die Rechnerauslastung enorm. Ich spreche hier aus eigener Erfahrung!

Erschwerend kommt hinzu, dass hier auch noch irgendwelche Materierotationen mit hineinspielen, die Felder also mit Aussendrehmoment behaftet sind, welches garantiert nichtlinear ist.

Dann muss berücksichtigt werden, dass es el. Ladungen gibt durch Ionisationseffekte, die ebenfalls wieder in diese Felder mit hineinspielen.

All das zusammen ergibt einen ungeheruen Parametercoctail, den zu berechnen gewiss eine Riesen-Riesenaufgabe sein wird, die auch enorm unsicher ist.

Aber....

Man kann trotzdem ....

Denn: wir können mathematische Abstraktionen "erfinden", welche aus den gemessenen Daten heraus ein ganz gutes Abbild wiederspiegeln. Dann werden zwar keine Feldgleichungen gelöst, aber diese Jets können nach einigen Anpassungen (Iterationen) ganz gut nachempfunden werden.

Der nächste Schritt wäre dann eine Modellanpassung / Modellverfeinerung, welche ein wenig Physik-näher wäre. so könnte ein Modellierungsprozess aufgefasst werden und auch zu einem beachtlichen Erfolg führen.

Schöne Doktorarbeit.

Ist jemand unter uns, der dazu Lust hat???

Netten Gruß

Wilfried

[gravi]

Ich wohl eher nicht...

Wie schon oben erwähnt ist halt neu an dieser Simulation, dass hier die Strahlung an das Magnetfeld ankoppelt (wie auch immer das funktioniert, jedoch haben wir es hier mit der Hochenergiephysik zu tun, und die ist ein Kapitel für sich!).

Bisher ist man davon ausgegangen, dass allein das Magnetfeld für den Ausstoß der Jets verantwortlich ist (Blandford- Znajek- Prozess). Dass wir es hier, also in der Akkretionsscheibe und auch den zum Jet beschleunigten Teilchen mit elektrischen Ladungen zu tun haben sollte wohl klar sein. Bei diesen Temperaturen in der Scheibe - durch die Reibung verursacht - von viellen Millionen bis zu Milliarden Grad, gibt es keine neutralen Partikel mehr. Alles ist völlig ionisiert, weshalb ja auch die Scheibe wie ein gigantischer Dynamo wirkt. Weil die Teilchen auch völlig zertrümmert sind und sich demgemäß ähnlich einer Flüssigkeit verhalten, hantiert man hier ja auch mit der so genannten Magnetohydrodynamik (ein Kapitel der Physik, dass ich liebend gern Leuten wie unserem Ray überlasse ).

Die Strahlung - wir haben es hier ja mit härtester Röntgen- oder gar Gammastrahlung zu tun - blieb halt bisher außen vor, was sicherlich eine Vereinfachung war.

Interessieren würde es mich allerdings schon, welche Prozesse nun in der Natur wirklich realisiert sind, die solche hochenergetischen Prozesse ablaufen lassen.

Schönen Gruß
gravi

[wilfried]

Tag Werner

Wie schon oben erwähnt ist halt neu an dieser Simulation, dass hier die Strahlung an das Magnetfeld ankoppelt (wie auch immer das funktioniert, jedoch haben wir es hier mit der Hochenergiephysik zu tun, und die ist ein Kapitel für sich!).

In der Tat, so ist das. Strahlung und Magnetfeld sind halt sehr eng miteinander verwoben. Und es kommt unter gewissen Voraussetzungen vor, dass beide miteiander beginnen zu wechselwirken.

Gewisse Bedingungen: Energie und Frequenz

Auch was Du schreibst mit MHD ist so völlig richtig gesehen. Diese hochkomplexen Vorgänge erwarte ich auch in einer solch energetisch "aufgeheizten" Zone wie einer Akkretionscheibe.

Die Magnetfelder werden sehr sicher stark verwirbelt aussehen, eventuell so ein wenig tornadoartig. Aber es ist antürlich Neuland. Auch die Messtechniken werden dazu recht interessant sein. Irgendwie muss man so eine sich drehende Felderscheinung ja auch beobachtbar machen können.

Maö sehen, was da noch passiert.

Und noch eins:

schede, dass Du die Diss nicht anfangen willst. Wäre doch eine echte Herausforderung oder?

Gruß

Wilfried

[Ray Light]

Lieber gravi

Zunächst muss ich mich entschuldigen, dass ich mich in letzter Zeit so rar hier im Forum gemacht habe. Vielen Dank für den Hinweis auf die interessante, japanische Forschungsarbeit. Gerne möchte ich einen Kommentar zu den Hybrid-Jets abgeben.

Der „Hybridmotor“ an diesem Jet-Modell sind die Magnetfelder auf der einen Seite und der Strahlungsdruck vom Akkretionsfluss auf der anderen Seite. Neu ist daran, dass man beides gleichzeitig bislang nicht adäquat in den Computersimulationen berücksichtigen konnte.

Dazu muss man wissen, dass man den Jet, der ja im Prinzip ein Materiestrahl ist, physikalisch wie eine fließende Flüssigkeit beschreibt. Es kommen also hydrodynamische Differentialgleichungen (HD) zum Einsatz. Diese werden dadurch verkompliziert, dass die Flüssigkeit elektrisch geladen ist. Bewegte, geladene Teilchen erzeugen Magnetfelder und diese lenken wiederum elektrisch geladene Teilchen ab. Der entsprechende Satz an Gleichungen wird dann zu den magnetohydrodynamischen Differentialgleichungen (MHD), der Einsatz in der Plasma-, Akkretions- und Jetphysik findet.

Neu ist nun, dass als zweite Komplexität der Einfluss von Strahlung berücksichtigt wurde. In den Gleichungen tauchen somit zusätzliche Terme auf, weil die Strahlung zum einen die Materie heizt, zum anderen aber auch kühlt, weil die mit der Abstrahlung Energie verliert. Dieses Regime nennt man Radiative Magnetohydrodynamik (RMHD).

Nun hieß es ja, dass das Ganze in der Nähe eines Schwarzen Loches abläuft. Ich war gespannt zu erfahren, wie die Theoretiker aus Japan das Schwarze Loch in den Code eingebunden haben. Sollte es endlich gelungen sein, die RMHD vor dem Hintergrund einer rotierenden Raumzeit „vollrelativistisch“ zu berechnen? Leider nein. Das verriet mir der Blick in das dazugehörige Originalpaper (siehe http://arxiv.org/abs/1009.0161 im arXiv). Es handelt sich nur um eine sogenannte pseudo-Newtonsche Simulation, d.h. das Schwarze Loch wird nicht so wie in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (ART, engl. GR) als Raumzeit (Schwarzschild- oder Kerr-Metrik) beschrieben, sondern mehr phänomenologisch durch einen zusätzlichen Potentialterm. Das ist eine gängige Methode und wurde 1980 von Paczynski und Wiita entwickelt (sog. Paczynski-Wiita-Potential). Auf diese Art und Weise kann ein Schwarzes Loch der ART natürlich nicht in allen Belangen nachgeahmt werden. Definitiv taugt dieser Zugang nicht, um die Effekte um ein rotierendes Schwarzes Loch (Kerr-Lösung) zu simulieren. Das ist insofern gravierend für die Jetphysik, weil doch gerade die relativistischen Jets von Aktiven Galaxienkernen (AGN, z.B. radiolaute Quasare) und der Gammastrahlenausbrüche (GRBs) kurz vor dem Ereignishorizont von rotierenden Schwarzen Löchern entstehen sollen (das gilt beim Blandford-Znajek-Mechanismus).

Dennoch sind die neuen Simulationen der Japaner spannend und wichtig. Zwar werden die Effekte vom Loch nicht in voller Schönheit berücksichtigt, dafür aber werden die Effekte der Strahlung gut eingebracht. Das ist neu!

In den letzten Jahren standen die voll relativistischen Simulationen im Rahmen der strahlungslosen GRMHD im Vordergrund, d.h. eine elektrisch geladene Flüssigkeit fällt in ein rotierendes Schwarzes Loch ein, das korrekt durch die Kerr-Metrik beschrieben wird. Strahlung konnte dabei nicht implementiert werden; nach wie vor ist das ein ungelöstes Problem, weil man die Strahlungstransportgleichung nicht auf gekrümmten Raumzeiten lösen kann – das ist also ein methodisches Problem.

Die Strahlung im aktuellen Code der Japaner kommt übrigens von dem Akkretionsfluss. Die Strahlung ist energiereich und heftig, weil der Akkretionsfluss oberhalb des Eddington-Limits strahlt, d.h. der Strahlungsdruck bläst so heftig auf das Material, das es nicht mehr gravitativ gebunden werden kann. Im Gegenteil: Ein derartiger Strahlungsdruck so kurz vor dem Schwarzen Loch treibt Ausflüsse an; diese sind allerdings noch recht „breit“ und trichterförmig.

Jetzt kommen die Magnetfelder ins Spiel – die zweite Zutat im Hybrid-Modell: Sie sorgen dafür, dass der breite Ausfluss elektrisch geladener Teilchen gebündelt wird. Dieser Vorgang heißt Kollimation und erst jetzt, spricht man von einem kollimierten Ausfluss: dem Jet.

Die aktuellen Simulationen der Japaner zeigen, dass nicht nur die Magnetfelder über Lorentzkräfte beschleunigend wirken, sondern auch der Strahlungsdruck. Das geht soweit, dass sogar relativistische Geschwindigkeiten erreicht werden. Strahlung aus dem Akkretionsfluss macht den Jet fast so schnell wie das Licht.

In der Astrophysik kommt dieses Szenario nur bei bestimmten Akkretionsflüssen vor, nämlich solche, bei denen die Akkretionsrate (Materiemenge pro Zeit) hoch ist. Nur sie sind am Eddington-Limit. Das gilt für einige Quasare, für sog. Narrow-Line Seyfert-1 Galaxien und für Mikroquasare. In meinem Weblexikon unter „Akkretion“ (Link: http://www.wissenschaft-online.de/astro ... 2.html#akk ) gibt es im Unterkapitel „Vereinheitlichte Akkretion“ ein Schema, bei dem der vorliegende Fall im Bild ganz oben illustriert ist (siehe im Bild unter „strahlungsgetriebene Ausflüsse“).

Ich hoffe, dass den Theoretikern der methodische Sprung hin zur radiativen GRMHD bald gelingt. Dann sind die Verhältnisse in der Simulation recht nah an denjenigen in der Natur.

Beste Grüße,
Ray Light

[gravi]

Lieber Ray,

schön, dass wir wieder einmal von fachlicher Seite bestens betreut werden!

Wenn ich es nun richtig sehe, haben die Japaner zwar einen guten Schritt vorwärts gemacht in der ungeheuer verzwickten Beschreibung der Physik unserer geliebten Gravitationsriesen - aber so richtig groß war die Schrittlänge dann wohl doch nicht.

Immerhin kommt aber wieder ein wenig Leben in dieses Forschungsgebiet. Nun bin ich gespannt, ob sich der Begriff der Hybrid- Jets einbürgern wird oder ob man künftig bei Erwähnung der Jets generell diese neue Form meint.

Gruß
gravi