Physiker entdecken erstes „dreifaches Schwarzes Loch“? Warum ist das so selten?

Autor: Gou Lijun

Schwarze Löcher waren schon immer ein beliebtes Thema in der Öffentlichkeit. Im Universum entstehen stellare Schwarze Löcher durch den Kernkollaps massereicher Sterne, oft durch heftige Supernova-Explosionen oder einen milderen „direkten Kollaps“. Ersteres führt dazu, dass das Schwarze Loch oder der Neutronenstern einen deutlicheren „Geburtsstoß“ erhält, d. h., das Schwarze Loch gewinnt durch die asymmetrische Explosion bei der Geburt zusätzliche Geschwindigkeit. Ob Schwarze Löcher generell einen Geburtsstoß haben und welche Auswirkungen dieser auf die umgebenden Himmelskörper hat, bleibt jedoch ein Rätsel. Kürzlich haben Wissenschaftler bei ihrer Forschung am V404 Cygni-System erstmals die Dreifachsystemstruktur von Schwarzen Löchern mit Sternmasse enthüllt und damit neue Herausforderungen für die klassische Theorie der Entstehung Schwarzer Löcher geschaffen. Hallo zusammen, ich bin Gou Lijun vom Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Heute sprechen wir über die jüngsten Entdeckungen von Schwarzen Löchern.

Wir haben gerade erwähnt, dass die beiden Hauptmodelle für die Entstehung stellarer Schwarzer Löcher Supernova-Explosionen und direkter Kollaps sind. Eine Supernova-Explosion ist eine gewaltige Explosion, die durch den Gravitationskollaps eines massereichen Sterns ausgelöst wird, nachdem dieser seinen Kernbrennstoff aufgebraucht hat. Aufgrund der Asymmetrie entsteht dabei eine starke Stoßwelle, die dem Schwarzen Loch oder Neutronenstern meist einen nicht ganz so kleinen „Geburtsstoß“, im Englischen Natal Kick genannt, versetzt. Dieser Ausbruch würde jedoch auch umliegende Objekte aus dem System schleudern. Der direkte Kollaps ist ein relativ sanfter Kollapsvorgang, der keine heftigen Stoßwellen oder Stöße erzeugt und daher nahegelegene Begleitsterne unter dem Einfluss der Schwerkraft relativ stabil halten kann.

Bei den meisten bekannten Schwarzlochsystemen im Universum handelt es sich um Doppelsternsysteme, in denen ein Schwarzes Loch und ein Begleitstern in einer durch die Schwerkraft gebundenen Struktur koexistieren. Beispielsweise ist das erste entdeckte Doppelsternsystem aus Schwarzen Löchern, das Cygnus X-1-System, ein typisches Doppelsternsystem aus Schwarzen Löchern und Begleitsternen. Die weitverbreitete Existenz von Doppelsternsystemen liefert Hinweise zum Verständnis der Evolution von Schwarzen Löchern, Dreifachsysteme sind jedoch sehr selten. Beispielsweise befindet sich das bekannte Proxima Centauri in einem Dreifachsystem, Dreifachsysteme mit schwarzen Löchern sind jedoch sehr selten. Doch erst am 23. Oktober wurde in der renommierten Fachzeitschrift Nature ein Forschungsergebnis veröffentlicht, in dem Astronomen erstmals bestätigten, dass es sich bei V404 Cygni um ein Dreifachsternsystem mit einem schwarzen Loch handelt.

V404 Cygni befindet sich im Sternbild Schwan, einem der 88 Sternbilder am Himmel, etwa 7.800 Lichtjahre von der Erde entfernt. Bisher galt er als typischer Röntgendoppelstern mit geringer Masse, bestehend aus einem Schwarzen Loch und einem nahen Begleitstern mit einer geringeren Masse als die Sonne. Der Begleitstern umkreist das Schwarze Loch auf engstem Raum und hat eine Umlaufzeit von nur etwa 6,5 ​​Tagen. Jüngste Beobachtungen haben jedoch ergeben, dass sich neben dem bisher vermuteten System auch ein weit entfernter Begleitstern im System befindet, der etwa 3.500 Astronomische Einheiten vom Schwarzen Loch entfernt ist. Damit ist V404 Cygni ein hierarchisches Dreifachsystem: Das Schwarze Loch und der nahe Begleitstern bilden einen Kerndoppelstern, während der entfernte Begleitstern diesen Kerndoppelstern umkreist. Diese Struktur ist sehr selten und das Schwarze Loch im Kern des Doppelsterns hat den entfernten Begleitstern aufgrund des Geburtsstoßes bei seiner Entstehung nicht zerstreut, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch in einem Kollapsvorgang mit geringem oder keinem Stoß entstanden sein könnte. Die Studie zeigte, dass die Trittgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs weniger als 5 km/s beträgt, was nicht ausreicht, um einen weit entfernten Begleitstern aus dem System zu ziehen. Es wird spekuliert, dass das Schwarze Loch möglicherweise durch einen direkten Kollaps-Prozess entstanden ist und sein Vorgängerstern keine heftige Supernova-Explosion erlebte, sondern sanft zu einem Schwarzen Loch kollabierte. Dieser niedrige Geburtsstoß ermöglicht die Entstehung des Schwarzen Lochs, ohne die Umlaufbahn des äußeren Begleitsterns zu stören, und unterstützt damit das Modell des direkten Kollapses. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass wir vor einigen Jahren bei der Untersuchung von Cygnus X-1 auch herausfanden, dass der Vorgängerstern von Cygnus X-1 keine heftige Supernova-Explosion erlebte, sondern nur sehr wenig Materie ausstieß und schließlich kollabierte, wobei sich das Schwarze Loch von Cygnus X-1 bildete. Aus dieser Sicht ist der Entstehungsprozess der beiden Schwarzen Löcher ähnlich.

Das Forschungsteam stellte außerdem fest, dass sich der entfernte Begleitstern im System aus dem Hauptreihenstadium heraus entwickelt hat, was darauf schließen lässt, dass das System vor 3 bis 5 Milliarden Jahren entstanden ist. In der langen Zeitspanne nach seiner Entstehung hat das Schwarze Loch etwa 0,5 Sonnenmassen an Materie vom Begleitstern im Kern angesammelt, wodurch sich der Doppelstern im Kern allmählich zu seinem heutigen Zustand entwickelte. Diese stabile hierarchische Dreifachsternstruktur steht im Einklang mit der Low-Birth-Kick-Theorie und bestätigt weiter, dass Schwarze Löcher durch direkten Kollaps entstehen können.

Die Entdeckung von V404 Cygni stellt eine tiefgreifende Herausforderung für die klassische Theorie der Entstehung Schwarzer Löcher dar. Dem traditionellen Supernova-Explosionsmodell zufolge wird die Bildung eines Schwarzen Lochs durch einen massereichen Stern von einer heftigen Stoßwelle begleitet, die es den umgebenden Sternen oder anderen Himmelskörpern erschwert, die Gravitationsbindung aufrechtzuerhalten. Der entfernte Begleitstern von V404 Cygni wurde während des Entstehungsprozesses des Schwarzen Lochs nicht stark gestört, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch keinen signifikanten „Geburtsstoß“ erfuhr. Dies bedeutet, dass das Modell des direkten Kollapses angepasst werden kann, um die Eigenschaften des niedrigen Geburtsstoßes von Schwarzen Löchern mit Sternmasse zu erklären.

Darüber hinaus unterstützt die hierarchische Dreifachsystemstruktur von V404 Cygni ein Modell zur Entstehung eines Röntgendoppelsterns mit geringer Masse, das eine Dreikörperentwicklung beinhaltet. In diesem Modell führt die Gravitationswechselwirkung zwischen dem entfernten Begleitstern und dem Doppelstern im Kern dazu, dass sich die Umlaufbahn des Doppelsterns im Kern allmählich verengt und schließlich ein kompakter Röntgendoppelstern mit geringer Masse entsteht. Diese Gravitationswechselwirkung führt dazu, dass sich die innere Umlaufbahn allmählich verengt, wodurch die Stabilität des Systems erhalten bleibt.

Die Entdeckung von V404 Cygni liefert wertvolle neue Erkenntnisse für die Erforschung der Entstehungsmechanismen und Entwicklungspfade Schwarzer Löcher. Die Entdeckung lässt darauf schließen, dass Schwarze Löcher bei Sternkollaps durch einen direkten Kollaps mit einem sehr kleinen „Geburtsstoß“ entstehen können. Dieser Prozess kommt im Universum möglicherweise häufiger vor als bisher angenommen. Die Theorie des direkten Kollapses bietet Vorteile bei der Erklärung der Low-Kick-Eigenschaften von Schwarzen Löchern und offenbart die Vielfalt der Entstehungsmechanismen von Schwarzen Löchern mit Sternmasse.

Weitere Beobachtungen werden den Wissenschaftlern in der Zukunft dabei helfen, weitere ähnliche Dreifachsysteme Schwarzer Löcher zu entdecken und so die Modelle zur Entstehung und Entwicklung Schwarzer Löcher weiter zu stützen. Die Einzigartigkeit von V404 Cygni ermöglicht uns nicht nur eine Neuuntersuchung des Entstehungs- und Entwicklungsprozesses Schwarzer Löcher, sondern bietet auch beispiellose Einblicke in das Verständnis der Komplexität von Schwarzlochsystemen im Universum.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Gou Lijun

Gutachter: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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