Schwarze-Loch-Jets zünden bei 2% der maximalen Fütterungsrate — unabhängig von der Größe

In einem Schwarzen Loch schaltet sich etwas ein, wenn seine Akkretionsrate auf genau 2 % des Maximums sinkt. Bei diesem präzisen Bruchteil – identisch, ob das Schwarze Loch zehn Sonnenmassen oder eine Milliarde Mal schwerer ist – entzündet sich ein Plasmajet und beginnt, sich auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Jahrzehntelang beobachteten Astronomen, wie diese Jets durch Galaxien pflügten, ohne zu verstehen, was sie auslöst. Die Jets gehören zu den energiereichsten Phänomenen im Universum, erstrecken sich über Millionen von Lichtjahren und tragen genug Energie, um die Gaswolken umzuformen, aus denen neue Sterne entstehen. Der Auslöser war unbekannt. Eine Studie in Nature Astronomy, die zwanzig Ereignisse analysiert, bei denen Sterne zerrissen und von Schwarzen Löchern verschlungen wurden, hat ihn gefunden.

Die Antwort lautet: 2 % der Eddington-Grenze – jene theoretische Akkretionsrate, bei der der nach außen gerichtete Strahlungsdruck eines Schwarzen Lochs exakt seiner nach innen gerichteten Gravitationskraft die Waage hält. Sinkt die Akkretionsrate unter diesen Schwellenwert, zündet der Jet. Jedes Mal. Auf jeder Größenskala.

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Wie sie den Auslöser fanden

Dr. Adelle Goodwin vom International Centre for Radio Astronomy Research der Curtin University und Dr. Andrew Mummery vom Institute for Advanced Study in Princeton verbrachten Jahre damit, Beobachtungen von Gezeitenzerriss-Ereignissen zusammenzutragen – den seltenen, gewaltsamen Vorfällen, bei denen ein Stern einem supermassereichen Schwarzen Loch zu nahe kommt und durch Gravitationsgezeiten zerrissen wird. Das Ereignis komprimiert, was normalerweise Millionen von Jahren der Nahrungsaufnahme eines Schwarzen Lochs ausmachen würde, zu einem Ausbruch, der Monate bis Jahre dauert.

Diese Kompression macht Gezeitenzerriss-Ereignisse zu einem so präzisen Labor. Anstatt auf eine normale Akkretionsphase in einem aktiven galaktischen Kern zu warten – die Millionen von Jahren andauern kann – können Forscher einen gesamten Akkretionszyklus von Anfang bis Ende verfolgen. Das Team sammelte optische, ultraviolette, Röntgen- und Radiobeobachtungen von Teleskopen auf vier Kontinenten und im Weltraum und verfolgte die Akkretionsrate, während jedes Schwarze Loch den zerrissenen Stern verschlang.

Von den zwanzig Ereignissen in ihrer Stichprobe wiesen zehn eine ausreichende Datenqualität auf, um die Akkretionsrate in dem Moment zu messen, als ein Jet erschien. In jedem Fall lag die Messung bei oder sehr nahe an 2 % der Eddington-Grenze. Die Schwarzen Löcher erstreckten sich über zwölf Größenordnungen in der Masse – von wenigen Sternmassen bis zu Hunderten von Millionen Sonnenmassen – und dennoch galt der Schwellenwert in jedem Fall.

Die 2-%-Regel und die Eddington-Grenze

Die Eddington-Grenze, benannt nach dem britischen Astrophysiker Arthur Eddington, beschreibt die Akkretionsrate, bei der der Strahlungsdruck auf einfallendes Material genau die Gravitation ausgleicht. Oberhalb der Eddington-Rate bläst die abgehende Strahlung die Brennstoffzufuhr weg; darunter fällt Materie freier nach innen. Bei Schwarzen Löchern mit sehr hohen Akkretionsraten wird die Physik von Strahlung dominiert; bei niedrigen Raten ändert sich die Geometrie der Akkretionsscheibe selbst.

Die 2-%-Marke liegt in einem als „Hard State“ bekannten Regime, in dem die Akkretionsscheibe von einer geometrisch dünnen, optisch dicken Struktur zu einer aufgeblähten, heißeren, weniger effizienten Geometrie übergeht. Dieser strukturelle Übergang war bereits aus Studien von Röntgendoppelsternen bekannt – kleinen Systemen, in denen ein stellarmasses Schwarzes Loch von einem Begleitstern gespeist wird –, aber ob er bei supermassereichen Systemen auf die gleiche Weise Jets auslöst, war unbestätigt.

Das neue Ergebnis sagt Ja. Der Mechanismus, der Jets startet, reagiert nicht auf die absolute Masse des Schwarzen Lochs. Er reagiert nur auf das Verhältnis von Akkretionsrate zur Eddington-Grenze. Ein stellarmasses Schwarzes Loch, das mit 2 % seiner Eddington-Rate akkretiert, und ein supermassereiches Schwarzes Loch, das dasselbe tut, erzeugen Jets mittels identischer Physik, getrennt durch zwölf Größenordnungen im physikalischen Maßstab. Die Universalität legt nahe, dass die Jetphysik grundlegend skalierungsinvariant ist – bestimmt durch dimensionslose Verhältnisse statt absoluter Größen.

Was es nicht erklärt

Zehn Ereignisse sind eine kleine statistische Stichprobe, und die Forscher sind sich der Grenzen ihrer Schlussfolgerung bewusst. Die Akkretionsrate während eines Gezeitenzerriss-Ereignisses ist nicht direkt messbar – sie wird aus der optischen, ultravioletten und Röntgenleuchtkraft des Ereignisses geschätzt, was Unsicherheiten mit sich bringt. Die Umrechnung von beobachteter Helligkeit in tatsächliche Akkretionsrate hängt von Modellen der Scheibenemission ab, die noch immer umstritten sind.

Grundsätzlicher: Zu wissen, wann der Jet zündet, ist nicht dasselbe wie zu wissen, wie. Die 2-%-Schwelle identifiziert den Auslösepunkt präzise, aber der physikalische Mechanismus, der einfallende Materie genau in diesem Moment in einen relativistischen Jet umwandelt, bleibt ein offenes Problem. Hauptkandidaten betreffen die Magnetfeldstruktur der Scheibe und die Rotation des Schwarzen Lochs – der Blandford–Znajek-Mechanismus –, aber die neuen Daten können nicht zwischen konkurrierenden Modellen unterscheiden.

Es gibt auch die Frage der Jets, die nicht zünden. Nicht jedes Gezeitenzerriss-Ereignis erzeugt einen Jet, selbst wenn die Akkretionsraten die 2-%-Schwelle überschreiten. Die Geometrie der Rotationsachse des Schwarzen Lochs und die Konfiguration des magnetischen Flusses nahe des Ereignishorizonts könnten darüber entscheiden, ob sich tatsächlich ein Jet bildet oder ob die Energie auf andere Weise abgeführt wird.

Der Moment in Madrid

Der Durchbruch gelang nicht an einem Computer in Australien oder New Jersey. Er geschah in einer Bar in der Nähe eines Konferenzortes in Madrid, wo Goodwin und Mummery bei einem Getränk ihre Notizen verglichen. Sie hatten die Gezeitenzerriss-Daten unabhängig voneinander analysiert und erkannten beim gemeinsamen Betrachten der Zahlen, dass der Schwellenwert bei jedem Ereignis in beiden Stichproben übereinstimmte.

Das Team ging dann zurück und bestätigte den Befund systematisch anhand des vollständigen Datensatzes. Mummery beschrieb das Ergebnis: „Diese Schwarzen Löcher sind durch enorme Massenunterschiede getrennt, aber sie scheinen ihre Jets am selben Punkt ihres Nahrungsaufnahmeprozesses einzuschalten.“

Das Ergebnis stellt eine strenge neue Einschränkung für Theorien der relativistischen Jetentstehung dar. Theoretische Modelle, die einen universellen 2-%-Auslöser über alle Schwarze-Loch-Massen hinweg nicht reproduzieren können, stehen nun im Widerspruch zu den Daten.

Häufige Fragen zu Jets von Schwarzen Löchern

Was ist ein Gezeitenzerriss-Ereignis?

Ein Gezeitenzerriss-Ereignis tritt auf, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch nahe genug kommt, dass die gravitativen Gezeitenkräfte – auf der dem Schwarzen Loch zugewandten Seite des Sterns stärker als auf der abgewandten – die eigene Schwerkraft des Sterns übersteigen und ihn auseinanderreißen. Das zerrissene stellare Material bildet eine Akkretionsscheibe und wird über Monate bis Jahre verbraucht. Diese Ereignisse sind im gesamten beobachtbaren Universum als helle, vorübergehende Lichtblitze nachweisbar.

Was ist die Eddington-Grenze?

Die Eddington-Grenze ist die Akkretionsrate, bei der der nach außen gerichtete Strahlungsdruck des akkretierenden Materials genau der nach innen gerichteten Gravitationskraft die Waage hält. Für ein Schwarzes Loch mit zehn Sonnenmassen beträgt die Eddington-Rate grob ein Hundertstel einer Sonnenmasse pro Jahr; für ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Milliarde Sonnenmassen sind es grob zehn Sonnenmassen pro Jahr. Die 2-%-Schwelle in dieser Studie beträgt 2 % der Eddington-Rate, die für das jeweilige Schwarze Loch gilt.

Warum ist die Jet-Schwelle für die Galaxienentwicklung wichtig?

Jets von supermassereichen Schwarzen Löchern sind einer der Hauptmechanismen, mit denen Schwarze Löcher die Sternentstehung in ihren Wirtsgalaxien regulieren. Wenn ein Jet zündet, injiziert er Energie in das umgebende Gas, erhitzt es und unterdrückt die Bildung neuer Sterne. Das genaue Verständnis, wann Jets einschalten – und was diesen Schalter kontrolliert – ist essenziell für präzise Modelle, wie sich Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit entwickeln. Die 2-%-Regel gibt Theoretikern eine präzise, beobachtungsgestützte Einschränkung, mit der sie arbeiten können.

Wie werden zukünftige Teleskope dies testen?

Das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA ist unter anderem darauf ausgelegt, Tausende von Gezeitenzerriss-Ereignissen in seiner Weitfelddurchmusterung zu entdecken und damit die derzeitige Stichprobe von zehn zuverlässigen Ereignissen erheblich zu erweitern. Das Team beabsichtigt zu ermitteln, ob der Spin des Schwarzen Lochs, der Wirtsgalaxientyp oder die Magnetfeldkonfiguration zum Zeitpunkt der Zerriss den Schwellenwert modifizieren – oder ob sich 2 % als wirklich universell über die gesamte Population Schwarzer Löcher erweisen.

Das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA, das Ende August 2026 gestartet wurde und nun genug Treibstoff für mindestens 22 Jahre Betrieb mit sich führt, soll in seinen ersten Jahren der Weitfelddurchmusterung Tausende von Gezeitenzerriss-Ereignissen entdecken – was die derzeitige Stichprobe von zehn zuverlässigen Ereignissen erheblich erweitert. Ob sich 2 % über diese breitere Population als universell erweist oder bei Schwarzen Löchern an den Extremen von Masse und Spin versagt, wird darüber entscheiden, ob diese Zahl als fundamentale Konstante der Jetphysik in die Lehrbücher eingeht oder eine Näherung bleibt, die für eine bestimmte Klasse von Akkretionsereignissen gilt.

Die Studie wurde von Goodwin und Mummery geleitet, mit Kooperationspartnern von Observatorien in Australien, den USA, Indien, Südafrika und dem Vereinigten Königreich.

Referenz: Goodwin, Mummery et al., „A universal critical accretion rate for black hole jet formation“, Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02951-1

Schlagwörter: black holes, Nature Astronomy, Curtin University, Eddington limit, relativistic jets, tidal disruption event

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