Forscher schlagen vor, dass das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße durch das Abgreifen seiner Rotation Teilchen auf PeV-Energien beschleunigen könnte. Ein neuer theoretischer Ansatz verbindet den im Jahr 1969 vorgeschlagenen Penrose-Prozess mit dem Verfall von Neutronen in der Ergosphaere.
Schwarzes Loch zapft Rotationsenergie an
Schwarze Mächte und massenverschlingende Giganten prägen das gängige Bild von Schwarzen Löchern, doch rotierende Exemplare bieten physikalisch eine ganz andere Möglichkeit. Bereits 1969 schlug Roger Penrose vor, dass ein rotierendes Schwarzes Loch einen Teil seiner Rotationsenergie abgeben kann. Der Mechanismus setzt in einem Bereich außerhalb des Ereignishorizonts an, der als Ergosphaere bekannt ist. Dort zieht die Rotation des Schwarzen Lochs die Raumzeit so stark mit sich, dass es unmöglich wird, relativ zu einem entfernten Beobachter stationär zu bleiben.
Betritt ein Teilchen diesen Bereich und teilt sich in der korrekten Weise, kann ein Fragment in das Schwarze Loch stürzen und scheinbar negative Energie überbringen. Das andere Fragment entkommt dem System mit mehr Energie, als das ursprüngliche Teilchen besaß.
Die Differenz gleicht das Schwarze Loch durch den Verlust an Rotationsenergie aus.
Roger Penrose und Robert M. Floyd schrieben in Nature Physical Science über die „Extraktion von Rotationsenergie aus einem Schwarzen Loch“.”
Magnetischer Prozess nutzt Neutronenzerfall
Die rein mechanische Version des Effekts ist jedoch wenig effizient. Eine neue Arbeit, die auf arXiv veröffentlicht wurde, betrachtet daher ein weitaus kleineres Objekt im Umfeld von Sagittarius A*, dem vier Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: ein freies Neutron.
In der unmittelbaren Nähe eines rotierenden Schwarzen Lochs führt dieser alltägliche Teilchenprozess zu extremen Konsequenzen. Sobald das Neutron zerfällt, besitzen die neu entstehenden Protonen und Elektronen elektrische Ladungen und geraten in Wechselwirkung mit den intensiven Magnetfeldern vor Ort.
Dieser als magnetischer Penrose-Prozess (MPP) bezeichnete Mechanismus verändert die Energiebilanz dramatisch. Ein Teilchen wird eingefangen, während das andere mit einer enormen Energiemenge entkommt. Die Untersuchung mit dem Titel „Sgr A* als galaktischer PeVatron: Multimessengersignaturen des magnetischen Penrose-Prozessesist als arXiv-Preprint arXiv:2609.04051 im Jahr 2026 erschienen.
Protonen im PeV-Bereich übertreffen irdische Anlagen
Damit übertreffen die beschleunigten Protonen die Leistung von Teilchenbeschleunigern auf der Erde deutlich. Nach Berechnungen, die in dem arXiv-Preprint vorgestellt wurden, erreichen die Teilchen etwa das Tausendfache der Energie, die der Large Hadron Collider erzeugt. Die Protonen rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus der Ergosphaere und kollidieren mit umgebendem Gas.
Diese Zusammenstöße erzeugen intensive Gammastrahlen mit einer spezifischen spektralen Signatur. Weil der Neutronenzerfall zudem ein Neutrino freisetzt, entsteht ein zweiter Botenstoff. Die Kombination aus Gammastrahlung und Neutrinos erlaubt der sogenannten Multimessenger-Astronomie, das Phänomen unabhängig zu überprüfen.
Gammastrahlen offenbaren die Interaktionen der Protonen mit Gas, während Neutrinos direkte Rückschlüsse auf den Zerfallsprozess im Zentrum erlauben.
Ausblick auf kommende Detektorengeneration
Die Signale sind mit heutiger Messtechnik zu schwach für einen direkten Nachweis. Dennoch richten Wissenschaftler den Blick auf kommende Technologiegenerationen.
Wenn verbesserte Detektoren eintreffende Teilchen präziser zuordnen können, erhalten Astronomen ein neues Werkzeug, um die physikalischen Vorgänge direkt am Rand eines supermassiven Schwarzen Lochs zu überprüfen.
