Eine Illustration zeigt einen Stern, der bei einer heftigen Gezeitenzerstörung auseinandergerissen wird (Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)
Es ist ein kosmischer Dschungel da draußen für Sterne, die sich zu nahe an Schwarze Löcher heranwagen. Ein Team des Massachusetts Institute of Technology hat 18 neue Beispiele für schwarze Löcher gefunden, die Sterne zerreißen und sich an ihren Überresten laben.
Mit diesem Ergebnis hat sich die Zahl der grausamen, sternzerstörenden Gezeitenstörungen (Tidal Disruption Events, TDEs) im lokalen Universum mehr als verdoppelt. Die Ergebnisse könnten den Astronomen helfen, die Anzahl der TDEs im gesamten Universum besser abzuschätzen und die Rate näher an die theoretischen Vorhersagen heranzuführen.
TDEs treten auf, wenn ein Stern zu nahe an ein Schwarzes Loch herankommt und der Gravitationseinfluss des letzteren Objekts so große Gezeitenkräfte im Stern erzeugt, dass der Sternkörper vertikal gestreckt und horizontal gequetscht wird, ein Prozess, der als „Spaghettifizierung“ bezeichnet wird.
Das Material des Sterns bildet eine abgeflachte Scheibe um das Schwarze Loch, wobei ein Teil davon im Herzen des Schwarzen Lochs akkretiert, während andere Sternmaterie durch starke Magnetfelder zu den Polen gelenkt und als Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit hinausgeschleudert wird.
Bisher glaubten die Astronomen, dass Schwarze Löcher Sterne zerreißen und verschlingen, während sie hochenergetische Jets in Galaxien ausstoßen, die vor kurzem eine Periode intensiver Sterngeburten, sogenannte „Starbursts“, erlebt haben.
Diese Forschungsarbeit deutet jedoch darauf hin, dass TDEs in einem breiteren Spektrum von Galaxien auftreten können und könnte dazu beitragen, die extreme Physik zu erklären, die bei solchen Ereignissen beobachtet wird.
„Die Leute haben sich sehr exotische Lösungen für diese Rätsel ausgedacht, und jetzt sind wir an einem Punkt angelangt, an dem wir sie alle auflösen können“, sagte Erin Kara, Teammitglied und Assistenzprofessorin für Physik am MIT, in einer Erklärung.
Inhaltsübersicht
Wie die Jagd nach dem Gezeitenstörungsereignis begann
Das MIT-Team begann mit der Suche nach weiteren sternverschlingenden Schwarzen Löchern, nachdem es das der Erde am nächsten gelegene TDE-Ereignis entdeckt hatte, das jemals beobachtet wurde. Sie wurde in Form einer Eruption in der Galaxie NGC 7392 beobachtet, die etwa 137 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
Dies eröffnete einen völlig neuen Weg, um aktiv fütternde Schwarze Löcher zu entdecken, so die Forscher. Dazu werden Infrarotlicht und ein Algorithmus verwendet, der in den Infrarotdaten nach Mustern sucht, die auf kurze oder „vorübergehende“ Strahlungsausbrüche hinweisen. Die entwickelte Technik basiert auf historischen Daten, die vom Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) der NASA gesammelt wurden. Seit seinem Start im Jahr 2009 hat NEOWISE den Himmel über der Erde nach kurzen Ausbrüchen von Infrarotlicht abgesucht.
Das Team verglich dann die gefundenen Transienten mit einem Katalog von Galaxien im Umkreis von 600 Millionen Lichtjahren von der Erde und stellte fest, dass die Infrarotausbrüche zu etwa 1.000 Galaxien zurückverfolgt werden konnten.
Durch Vergrößerung dieser Galaxien versuchten die Forscher herauszufinden, ob die von ihnen entdeckten Signale von TDEs stammen oder ob sie durch andere gewalttätige Ereignisse ausgelöst worden sein könnten, z. B. durch die Supernova-Explosion eines massiven sterbenden Sterns. Es wäre auch möglich, dass sie von supermassiven schwarzen Löchern im Herzen von Galaxien stammen, die sich von herabfallendem Staub und Gas ernähren.
Eine künstlerische Darstellung eines Röntgenstrahls, der von einem schwarzen Loch erzeugt wird, das einen Stern verschlingt. Der Strahl schockiert das Material und setzt andere Arten von Licht frei. (Bildnachweis: Zwicky Transient Facility/R.Hurt (Caltech/IPAC))
Dies führte schließlich zur Entdeckung von 18 legitimen TDE-Signalen, die das Ergebnis des Gravitationseinflusses von Schwarzen Löchern waren, die Gezeitenkräfte in Sternen erzeugten, die schließlich zu einigen blutigen stellaren Todesfällen führten.
Überraschenderweise stellte das Team fest, dass TDEs in einer Reihe von Galaxien am gesamten Himmel aufzutreten scheinen, auch in solchen, die mit dicken Staubwolken gefüllt sind.
„Wenn man in den Himmel schaut und einen Haufen Galaxien sieht, treten die TDEs repräsentativ in allen auf“, sagte die Hauptautorin der Studie und MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research Doktorandin Megan Masterson.
Verstecken kosmischer Verbrechen
Im Großen und Ganzen trägt diese Forschung zur Klärung einiger wichtiger Fragen im Zusammenhang mit Gezeitenstörungen bei.
Bisher hatten die Astronomen diese Sternzerstörung vor allem in Galaxien nach der Sternentstehung gesehen, in denen die Sternfabriken vor kurzem stillgelegt wurden.
Solche Galaxien sind relativ selten, und die Wissenschaftler waren verwirrt, warum TDEs nur in ihnen aufzutreten schienen. Diese Forschungsarbeit räumt mit dieser Verwirrung auf, indem sie blutige TDEs in einer Reihe von Galaxientypen findet.
Der Grund dafür, dass TDEs in anderen Galaxien scheinbar nicht vorkommen, liegt darin, dass Galaxien nach dem Ausbruch eines Sterns keine dicken Gas- und Staubmassen mehr haben, weil sie diese Materialien verbraucht haben, während sie gleichzeitig eine Fülle neuer Sterne erzeugten, während andere Galaxien diese Materialien noch im Überfluss haben. Gas und Staub absorbieren oder blockieren das optische und das Röntgenlicht, während das Infrarotlicht die Materie leichter durchdringt.
Daher waren Röntgen- und optische Emissionen gut geeignet, um TDEs in staubarmen Galaxien aufzuspüren, aber Infrarotbeobachtungen waren der Schlüssel, um sternzerstörende schwarze Löcher in staubigen Galaxien zu finden.
„Es ist nicht so, dass sie nur in einer bestimmten Art von Galaxien vorkommen, wie man aufgrund der optischen und röntgentechnischen Suche dachte“, fügte Masterson hinzu. „Wenn man TDEs als Ganzes verstehen und sie zur Untersuchung der Demografie supermassiver schwarzer Löcher nutzen will, muss man im Infrarotband suchen.“
Die Ergebnisse der MIT-Forscher könnten auch erklären, warum die TDEs nicht so viel Energie abzustrahlen scheinen, wie die Theorie es vorhersagt. Das Team vermutet, dass das Energiedefizit darauf zurückzuführen ist, dass Staub die optischen und röntgentechnischen Emissionen sowie die extreme ultraviolette Strahlung der TDEs absorbiert.
Zählt man die 18 neu entdeckten TDEs zu den bereits beobachteten Ereignissen dieser Art hinzu, schätzt das MIT-Team, dass Galaxien etwa alle 50.000 Jahre eine TDE erleben, was mit früheren theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.
„Das gibt uns die Zuversicht, dass wir nicht diese ganze exotische Physik brauchen, um zu erklären, was wir sehen“, schloss Kara. „Und wir haben die Mechanik besser im Griff, die dahinter steckt, wie ein Stern auseinandergerissen und von einem Schwarzen Loch verschlungen wird. Wir verstehen diese Systeme jetzt besser.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (29. Januar) in der Zeitschrift Astrophysical Journal. veröffentlicht.
