Welche Kraft im Universum kann Sterne „zerreißen“?

Astronomen wurden Zeugen von 18 gefräßigen schwarzen Löchern, die Sterne auseinanderrissen und verschlangen – eine erschreckende Entdeckung, die die Zahl der im lokalen Universum beobachteten Gezeitenströmungsereignisse mehr als verdoppelt.

(Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)

Bild: Ein Stern wird bei einem heftigen Gezeitenereignis auseinandergerissen

Für Sterne, die sich zu nahe an ein Schwarzes Loch wagen, herrscht dort draußen ein kosmischer Dschungel. Ein Forscherteam des MIT hat 18 neue Beispiele dafür entdeckt, wie Schwarze Löcher Sterne auseinanderreißen und sich an ihren Überresten gütlich tun.

Das Ergebnis ist, dass sich die Zahl der schrecklichen, sternzerstörenden Gezeitenkräfte (Tidal Disruption Events, TDEs), die im lokalen Universum beobachtet wurden, mehr als verdoppelt. Die Erkenntnisse könnten den Astronomen dabei helfen, die Anzahl der im gesamten Universum auftretenden Gezeitenströmungen besser abzuschätzen und ihre Häufigkeit den theoretischen Vorhersagen anzunähern.

Wenn ein Stern zu nahe an einem Schwarzen Loch vorbeifliegt, erzeugt die Schwerkraft des Schwarzen Lochs enorme Gezeitenkräfte im Stern, sodass der Sternkörper vertikal gestreckt und horizontal zusammengedrückt wird. Dieser Vorgang wird als „Spike-Bildung“ bezeichnet. Materie des Sterns bildet eine flache Scheibe um das Schwarze Loch, wobei ein Teil davon zum Zentrum des Schwarzen Lochs hin akkumuliert, während andere Sternmaterie durch starke Magnetfelder zu den Polen gezogen und in Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird.

Bisher glaubten Astronomen, dass Schwarze Löcher Sterne zerreißen und verschlingen würden, während sie hochenergetische Jets in Galaxien ausstoßen, die kurz zuvor intensive Phasen der Sternentstehung, sogenannte Starbursts, durchlaufen hatten.

Die Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Gezeitenkräfte in einer größeren Anzahl von Galaxien auftreten können und zur Erklärung der extremen physikalischen Bedingungen beitragen, die bei derartigen Ereignissen zu beobachten sind.

„Die Leute haben sich wirklich ausgefallene Lösungen für diese Rätsel ausgedacht, und jetzt sind wir an einem Punkt angelangt, an dem wir sie alle lösen können“, sagte Teammitglied Erin Kara, Assistenzprofessorin für Physik am MIT, in einer Erklärung.

Wie begann die Suche nach Gezeitenstörungen?

Nachdem das MIT-Team das der Erde am nächsten gelegene Gezeitenereignis aller Zeiten entdeckt hatte, machte es sich auf die Suche nach weiteren Schwarzen Löchern, die Sterne verschlucken. Sie beobachteten einen Ausbruch in der Galaxie NGC 7392, die etwa 137 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Dies eröffne ihrer Meinung nach eine völlig neue Möglichkeit, aktiv fressende Schwarze Löcher zu entdecken. Dabei kommen Infrarotlicht und ein Algorithmus zum Einsatz, der in Infrarotdaten nach Mustern sucht, die auf kurze oder „vorübergehende“ Strahlungsausbrüche hinweisen. Die Technik wurde mithilfe historischer Daten durchgeführt, die vom Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) der NASA gesammelt wurden. Seit seinem Start im Jahr 2009 sucht NEOWISE den Himmel der Erde nach kurzen Infrarotlichtausbrüchen ab.

Anschließend verglich das Team die entdeckten Transienten mit einem Katalog von Galaxien im Umkreis von 600 Millionen Lichtjahren um die Erde und stellte fest, dass die Infrarotausbrüche auf etwa 1.000 Galaxien zurückgeführt werden konnten.

Die Forscher zoomten auf diese Galaxien, um herauszufinden, ob das von ihnen entdeckte Signal von einem Gezeitenereignis stammte oder ob es durch ein anderes gewaltiges Ereignis ausgelöst worden sein könnte, etwa durch die Explosion einer Supernova eines sterbenden massereichen Sterns. Es ist auch möglich, dass die Signale von supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum der Galaxien stammen, die sich von einfallendem Staub und Gas ernähren.

(Bildnachweis: Zwicky Transient Facility/R.Hurt (Caltech/IPAC)

Künstlerische Darstellung eines Röntgenstrahls, der von einem schwarzen Loch erzeugt wird, das einen Stern verschlingt. Dieser Lichtstrahl trifft auf Materie und setzt andere Arten von Licht frei.

Dies führte letztlich zur Entdeckung von 18 echten TDE-Signalen. Diese sind das Ergebnis der Gravitationswirkung schwarzer Löcher, die in Sternen Gezeitenkräfte erzeugen und so letztlich zu einigen blutigen Sternentötungen führen.

Überraschenderweise stellte das Team fest, dass Gezeitenkräfte offenbar in einer Reihe von Galaxien am Himmel auftreten, darunter auch in Galaxien mit dichten Staubwolken.

„Wenn man in den Himmel schaut und eine Reihe von Galaxien sieht, ist es ziemlich typisch, dass in allen von ihnen Gezeitenströmungen auftreten“, sagte Megan Masterson, eine Doktorandin am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT und Hauptautorin der Studie.

Das Verbrechen des Universums verbergen

Insgesamt trägt diese Forschung dazu bei, einige wichtige Fragen zu Gezeitenstörungen zu klären.

Zuvor hatten Astronomen dieses Phänomen der Sternenzerstörung vor allem in Galaxien nach einer Explosion beobachtet, in denen die Sternenfabriken gerade ihren Betrieb eingestellt hatten.

Solche Galaxien sind ziemlich selten und die Wissenschaftler sind ratlos, warum Gezeitenkräfte scheinbar nur in diesen Galaxien auftreten. Die Studie lindert diese Verwirrung, indem sie in mehreren Arten von Galaxien blutige Gezeitenzerstörungsereignisse feststellt.

Der Grund dafür, dass es in anderen Galaxien anscheinend keine Gezeitenströmungen gibt, liegt darin, dass die Galaxien nach der Explosion ihr Gas und ihren Staub aufgebraucht haben, während sie eine große Zahl neuer Sterne erzeugt haben, und deshalb nicht über dichtes Gas und Staub verfügen, während in anderen Galaxien noch immer viel Gas und Staub vorhanden ist. Gas und Staub absorbieren oder blockieren optisches Licht und Röntgenlicht gut, Infrarotlicht durchdringt diese Materialien jedoch leichter.

„Es ist nicht so, dass sie nur in einem Galaxientyp vorkommen, wie man allein aufgrund optischer und Röntgen-Suchen angenommen hat“, fügte Masterson hinzu. „Wenn Sie Gezeitenströmungen im Allgemeinen verstehen und sie zur Untersuchung der Populationsstruktur supermassiver Schwarzer Löcher nutzen möchten, müssen Sie im Infrarotbereich beobachten.“

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Die Erkenntnisse der MIT-Forscher könnten auch erklären, warum Gezeitenkräfte offenbar nicht so viel Energie ausstrahlen wie theoretisch vorhergesagt. Das Team geht davon aus, dass der Energiemangel auf Staub zurückzuführen ist, der die optische Strahlung und Röntgenstrahlung sowie die extreme Ultraviolettstrahlung des Gezeitenereignisses absorbiert.

Durch die Kombination der neu entdeckten 18 Gezeitenstörungsereignisse mit zuvor beobachteten Ereignissen der gleichen Art schätzt das MIT-Team, dass es in der Galaxie etwa alle 50.000 Jahre zu einer Gezeitenstörung kommt, was mit früheren theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.

„Das gibt uns die Zuversicht, dass wir diese ganze exotische Physik nicht brauchen, um zu erklären, was wir sehen“, schloss Kara. „Wir verstehen die Mechanismen, die dahinterstecken, wie Sterne von Schwarzen Löchern zerrissen und verschlungen werden, viel besser. Wir verstehen diese Systeme viel besser.“

VON: Robert Lea

Geschäftsjahr: 33

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