Live-Szene der „Futtersuche“ eines schwarzen Lochs! Wie wurden aus Sternen Spaghetti?

Schwarze Löcher verwandeln Sterne in Spaghetti: Ein kosmischer Tatort enthüllt

Astronomen ist es gelungen, das endgültige Schicksal eines Sterns zu rekonstruieren, der von einem riesigen Schwarzen Loch zerstört und teilweise verschluckt wurde, als wäre er in einen langen, dünnen Strang „Spaghetti“ verwandelt worden.

Ein Bild eines Sterns, der durch die enorme Anziehungskraft eines massiven Schwarzen Lochs auseinandergerissen wird.

(Bildnachweis: NASA/CXC/M. Weiss)

Eine kosmische Beobachtung hat Einzelheiten darüber enthüllt, wie sich Schwarze Löcher „ernähren“. In einer neuen Studie haben Astronomen die Zerstörung eines Sterns durch ein supermassereiches Schwarzes Loch untersucht und Licht darauf geworfen, wie diese kosmischen Bestien Materie verschlingen, die ihnen nahe kommt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein erheblicher Teil dieser Materie nicht vom Schwarzen Loch verschluckt, sondern herausgeschleudert wird.

Das blutige Ereignis, das sich 215 Lichtjahre von der Erde entfernt ereignete und erstmals im Oktober 2019 beobachtet wurde, war die Folge der Zerstörung eines sonnenähnlichen Sterns durch ein Schwarzes Loch mit mehr als einer Million Mal so großer Masse. Dies ist das nächstgelegene stellare „Spaghettiisierungs“-Ereignis, das jemals von Astronomen beobachtet wurde. Es wird durch die Gezeitenkräfte eines massiven Schwarzen Lochs verursacht.

Dieses sogenannte Gezeitenzerstörungsereignis ereignete sich in einer Spiralgalaxie im Sternbild Andromeda. Dies ist das erste Ereignis, dessen Helligkeit im sichtbaren Licht ausreicht, um den Astronomen die detaillierte Untersuchung des Verhaltens des Materials nach der Zersplitterung des Sterns zu ermöglichen.

Durch Beobachtung der Polarisation des Lichts während des Ereignisses kamen Forscher der University of California in Berkeley zu dem Schluss, dass der größte Teil des Sternmaterials mit Geschwindigkeiten von bis zu 35 Millionen Kilometern pro Stunde aus der Umgebung des Schwarzen Lochs herausgeschleudert wurde. Das Auswurfereignis mit der Bezeichnung AT2019qiz erzeugte eine Gaswolke. Neue Beobachtungen mit polarisiertem Licht zeigen, dass die Gaswolke eine kugelsymmetrische Form hat. Die Wolke ist 200-mal breiter als die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und der Sonne, d. h. ihr Radius ist 100-mal größer als der Radius der Umlaufbahn unseres Planeten, und ihr äußerer Rand ist etwa 1,5 Milliarden Kilometer vom zentralen Schwarzen Loch entfernt.

Der Astronom Wenbin Lü von der UC Berkeley ist Co-Autor des neuen Artikels, der die Beobachtungen beschreibt. „Die Fähigkeit supermassereicher Schwarzer Löcher, Sterne durch ihre enormen Gezeitenkräfte auseinanderzureißen, ist eines der unglaublichsten Dinge im Universum“, sagte er in einer Erklärung. Er merkte außerdem an, dass „diese stellaren Gezeitenzerrüttungsereignisse eine der wenigen Möglichkeiten für Astronomen sind, die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien zu verstehen und ihre Eigenschaften zu messen. Aufgrund des extrem hohen Rechenaufwands bei der numerischen Simulation dieser Ereignisse verstehen Astronomen die komplexen Prozesse hinter den Gezeitenzerrüttungsereignissen jedoch noch immer nicht.“

Die neue Entdeckung könnte erklären, warum Astronomen bei anderen Gezeitenströmungen keine hochenergetische Strahlung wie Röntgenstrahlen beobachtet haben. Diese Strahlung entsteht dadurch, dass Materie des Sterns in eine dünne Scheibe um das Schwarze Loch gezogen wird, wo sie erhitzt wird und energiereiche Strahlung erzeugt, und auch dadurch, dass Materie in das Schwarze Loch eindringt. Diese Strahlung wird jedoch durch Gaswolken verdeckt, die von starken Jets ausgestoßen werden.

Wenn ein Stern in eine extrem enge Umlaufbahn in die Nähe eines Schwarzen Lochs gerät, kommt es zu einem Gezeitenstoß. Simulationen zeigen, dass das zerstörte Sternmaterial diesen kosmischen Giganten umkreist und schließlich auf die Oberfläche des Schwarzen Lochs fällt. (Bildnachweis: NRAO/AUI/NSF)

„Diese Beobachtung schließt eine Reihe theoretischer Lösungen aus und liefert stärkere Einschränkungen für das Verhalten von Gas um Schwarze Löcher“, sagte Kishore Patra, ein Doktorand der Astronomie an der University of California in Berkeley und Hauptautor des Artikels, in der Erklärung. „Wir haben Hinweise darauf gesehen, dass bei diesen Ereignissen andere Winde ausgestoßen wurden, und ich denke, dass diese Polarisationsstudie diese Hinweise untermauert, denn ohne ausreichend Wind wäre es unmöglich, eine sphärisch symmetrische Geometrie zu erhalten.“

„Interessant dabei ist, dass ein erheblicher Teil des Sternmaterials, das spiralförmig auf das Schwarze Loch zusteuert, nicht in das Schwarze Loch fällt, sondern von dort weggeschleudert wird“, fügte Patra hinzu.

Dieses Ergebnis scheint der von vielen Astronomen vertretenen Theorie zu widersprechen, dass bei der Zerstörung eines Sterns durch ein Schwarzes Loch eine stark asymmetrische Akkretionsscheibe entsteht. Eine solche Akkretionsscheibe würde stark polarisiertes Licht aussenden – etwas, das bei diesem Gezeitenströmungsereignis nicht beobachtet wurde.

Eine zweite Reihe von Beobachtungen im November 2019 zeigte, dass das Licht dieses Ereignisses nur leicht polarisiert war. Das Team sagte, die Entdeckung lasse darauf schließen, dass die ausgestoßene Gaswolke dünn genug war, um die asymmetrische Gasstruktur um das Schwarze Loch herum sichtbar zu machen.

„Die Akkretionsscheibe selbst ist heiß genug, um den größten Teil ihres Lichts im Röntgenbereich auszusenden, aber dieses Licht muss durch diese Wolke hindurch, wo es gestreut, absorbiert und viele Male wieder ausgestrahlt wird, bevor es der Wolke entweichen kann“, sagte Patra. „In jeder dieser Phasen verliert das Licht einen Teil seiner Photonenenergie und sinkt schließlich auf Energieniveaus im ultravioletten und optischen Spektrum. Die letzte Streuung bestimmt den Polarisationszustand des Photons. Daher können wir durch die Messung der Polarisation auf die Geometrie der Oberfläche schließen, auf der die letzte Streuung stattgefunden hat.“

Petra fügte hinzu, dass das „Sterbebett-Szenario“, das das Team bei dem Stern beobachtet hatte, möglicherweise nicht auf jene „besonderen“ Gezeitenströmungsereignisse zutrifft, bei denen Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus den Polen eines Schwarzen Lochs herausgeschleudert wird. Um diese Frage zu beantworten, sind weitere Polarisationsstudien zu Gezeitenstörungen erforderlich.

„Die Polarisationsforschung ist eine große Herausforderung und es gibt weltweit nur wenige Menschen, die diese Technik wirklich beherrschen“, sagt Petra. „Dies ist also Neuland für Gezeitenstörungen.“

Beide Beobachtungssätze wurden mit dem 3 Meter (10 Fuß) großen Shane-Teleskop am Lick-Observatorium in der Nähe von San Jose, Kalifornien, durchgeführt. Das Teleskop ist mit dem Kast-Spektrometer ausgestattet, einem Instrument, das den Polarisationszustand von Licht über das gesamte Spektrum bestimmen kann.

Der Artikel des Teams wird in der Septemberausgabe der Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

VON: Robert Lea

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