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Lexikon der Astronomie: Blandford-Znajek- Mechanismus

Der Blandford-Znajek-Mechanismus (BZM) wurde benannt nach den Astrophysikern R.D. Blandford und R.L. Znajek, die diesen Prozess 1977 vorschlugen. Der BZM ermöglicht die Extraktion von Rotationsenergie eines rotierenden Schwarzen Loches (beschrieben durch die Kerr-Lösung) auf elektromagnetischem Wege.

Gravitomagnetismus

Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn Magnetfelder des Plasmas im Akkretionsflusses in die Ergosphäre des rotierenden Loches geraten. Hier geschieht der Frame-Dragging-Effekt, der besagt, dass alles mit dem Loch rotieren muss. Denn ein rotierendes ist rotierender Raum! Das kann in der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr elegant durch ein so genanntes gravitomagnetisches Feld beschrieben werden – ein Formalismus, der auf den Relativitätstheoretiker John A. Wheeler zurückgeht, der auch Richard Feynman und Kip Thorne ausbildete. Zu diesem Feld gehört auch eine gravitomagnetische Kraft, die alles mit sich reißt, auch die Magnetfelder. Die Morphologie der Magnetfelder wird durch diese Korotation schlauchförmig (dominant toroidal), so dass eine achsensymmetrische, torusförmige Magnetosphäre ausgebildet wird.

Paarbildung in der Ergosphäre

Die damit einhergehende Verstärkung des Magnetfeldes nennt man den gravitomagnetischen Dynamo. Wird die erreichte Feldstärke groß genug, kann in einer Kaskade ein leptonisches Paarplasma aus Elektronen und Positronen erzeugt werden. Die Teilchen erhalten einen Kick durch die gravitomagnetische Kraft und können die Ergosphäre verlassen. Sie folgen dabei je nach elektrischer Ladung den lokalen Magnetfeldlinien. Da in der Ergosphäre Zustände negativer Energie möglich sind – so erscheinen sie einem Beobachter im Unendlichen – kann dem Schwarzen Loch auf diese Weise elektromagnetisch Rotationsenergie entzogen werden. Der BZM senkt also den Kerr-Parameter a herab, aber die Akkretion kann ihn wieder erhöhen, weil sie dem Loch durch Materieeinfall Drehimpuls wieder hinzufügt.
Der Blandford-Znajek-Mechanismus ist von besonderer Relevanz für die Magnetohydrodynamik in Aktiven Galaktischen Kernen (AGN), die Akkretion auf rotierende supermassereiche Schwarze Löcher und insbesondere für die Erzeugung leptonischer, extragalaktischer Jets. Mithilfe des Membran-Paradigmas kann man eine andere Perspektive auf elektromagnetische Wechselwirkungen mit dem Ereignishorizont Schwarzer Löcher erhalten.

Alternative von Roger Penrose

Neben diesem Mechanismus, der auf die Beteiligung von elektrischen und magnetischen Feldern angewiesen ist, gibt es einen weiteren klassischen Prozess in der Ergosphärenphysik, der dem rotierenden Loch Rotationsenergie entziehen kann: der Penrose-Prozess. Hier ist die Wechselwirkung in der Magnetosphäre unbedeutend, wichtig ist nur, dass Teilchen in die Ergosphäre eintreten und dort zerfallen.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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