Der Astrophysiker Dr. Christian M. Fromm stammt aus Bischofsheim in der Rhön. Anfang Oktober 2021 ist er von der Universität Harvard (USA) als Leiter einer Nachwuchsgruppe an den Lehrstuhl für Astronomie der Universität Würzburg gewechselt. Als gelungenen "Einstand" präsentiert er Forschungsergebnis über Schwarze Löcher, das er mit anderen Forschenden im Journal "Nature Astronomy" veröffentlicht hat, heißt es in einer Pressemitteilung der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Christian Fromm ist nach dem Studium in Aachen und Bonn und nach Forschungstätigkeiten in Valencia, Frankfurt/Main und Cambridge (MA) nun 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." 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."

Neues Computermodell für Schwarze Löcher

Im Zentrum der Studie stand das Schwarze Loch in der Riesengalaxie Messier 87 (M87). Es 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 M87 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. Dieses Schwarze Loch schießt einen Plasmastrahl (Jet) 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, heißt es in der Pressemitteilung.

Dreidimensionale Supercomputer-Berechnungen

Das Schwarze Loch der Galaxie M87 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. Von ihm wurde nun ein theoretisches Modell entwickelt, das sehr gut zu den astronomischen Beobachtungen passt.

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.

Bemerkenswert gute Übereinstimmung mit Beobachtungen

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. Christian M. Fromm betont: ,"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."