Main) eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das einen Stern in einem Gezeitenzerfall zerreißt (Inset) ein Bild eines rotierenden Schwarzen Lochs, das die Raumzeit mit sich zieht (Bildnachweis: ESA/C. Carreau/Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die „wackelnden“ Überreste eines Sterns, der im Rachen eines supermassiven schwarzen Lochs einen grausamen Tod erlitt, haben dazu beigetragen, die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der sich sein kosmischer Räuber dreht.
Man nimmt an, dass supermassive Schwarze Löcher durch aufeinanderfolgende Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstehen, von denen jedes einen Drehimpuls mit sich bringt, der die Rotation des entstehenden Schwarzen Lochs beschleunigt. Folglich kann die Messung des Spins supermassiver schwarzer Löcher Einblicke in ihre Geschichte gewähren – und neue Forschungsergebnisse bieten eine neue Möglichkeit, solche Rückschlüsse zu ziehen, die auf dem Effekt beruhen, den drehende schwarze Löcher auf die Struktur von Raum und Zeit selbst haben.
Der todgeweihte Stern, der im Mittelpunkt dieser Forschungsarbeit steht, wurde von einem supermassiven Schwarzen Loch während eines so genannten Gezeitenstörungsereignisses (TDE) auf brutale Weise zerrissen. Diese Ereignisse werden ausgelöst, wenn sich ein Stern zu nahe an den massiven Gravitationseinfluss eines Schwarzen Lochs heranwagt. Sobald er nahe genug ist, entstehen im Inneren des Sterns gewaltige Gezeitenkräfte, die ihn horizontal zerquetschen und vertikal dehnen. Dieser Prozess wird „Spaghettifizierung“ genannt und verwandelt den Stern in einen Strang stellarer Nudeln – aber, und das ist entscheidend, nicht alles wird von dem zerstörerischen Schwarzen Loch verschlungen.
Ein Teil dieses Materials wird weggeblasen, während sich ein anderer Teil um das Schwarze Loch wickelt und eine abgeflachte Wolke bildet, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Diese Akkretionsscheibe speist nicht nur allmählich das zentrale Schwarze Loch, sondern dieselben Gezeitenkräfte, die den Stern überhaupt erst zerfetzt haben, verursachen auch massive Reibungskräfte, die diese Platte aus Gas und Staub aufheizen, so dass sie hell leuchtet.
Wenn sich supermassereiche Schwarze Löcher drehen, ziehen sie außerdem das Gewebe der Raumzeit (eine vierdimensionale Einheit aus Raum und Zeit) mit sich. Dieser so genannte „Lense-Thirring“- oder „Frame-Dragging“-Effekt bedeutet, dass am Rande eines sich drehenden supermassiven Schwarzen Lochs nichts stillsteht. Der Effekt verursacht auch ein kurzzeitiges „Wackeln“ in einer neu entstandenen Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs.
Jetzt hat ein Forscherteam entdeckt, dass das „Wackeln“ dieser Akkretionsscheibe genutzt werden kann, um zu bestimmen, wie schnell sich das zentrale Schwarze Loch dreht.
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„Frame Dragging ist ein Effekt, der bei allen rotierenden Schwarzen Löchern auftritt“, sagt Teamleiter Dheeraj „DJ“ Pasham, Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT), gegenüber kosmischeweiten.de. „Wenn also das störende Schwarze Loch rotiert, dann unterliegt der Fluss der stellaren Trümmer auf das Schwarze Loch nach einer TDE diesem Effekt.“
Heilige heiße Röntgenstrahl-Sternnudeln!
Um TDEs und Frame-Dragging zu untersuchen, suchte das Team fünf Jahre lang nach hellen und relativ nahen Beispielen von durch Schwarze Löcher verursachten Sternmorden, die schnell verfolgt werden konnten. Ziel war es, Anzeichen für eine durch den Lense-Thirring-Effekt verursachte Präzessionsbewegung der Akkretionsscheibe zu entdecken.
Im Februar 2020 war diese Suche erfolgreich. Dem Team gelang es, AT2020ocn zu entdecken, einen hellen Lichtblitz, der von einer rund eine Milliarde Lichtjahre entfernten Galaxie stammt. AT2020ocn wurde zunächst in optischen Wellenlängen von der Zwicky Transient Facility entdeckt, wobei diese Daten im sichtbaren Licht darauf hinwiesen, dass die Emission von einem TDE stammt, an dem ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse zwischen 1 Million und 10 Millionen Mal so groß wie die Sonne beteiligt ist.
„Aufgrund des Lense-Thirring-Effekts wird die Röntgenemission, die von der neu gebildeten, heißen Akkretionsscheibe ausgeht, präzessiert oder ‚wobbelt‘. Dies äußert sich in Form von Röntgenmodulationen in den Daten“, so Pasham. „Nach einer Weile jedoch, wenn die Akkretionskraft nachlässt, zwingt die Schwerkraft die Scheibe dazu, sich mit dem Schwarzen Loch auszurichten, woraufhin das Taumeln und die Röntgenmodulationen aufhören.“
Pasham und Kollegen vermuteten, dass die TDE, die AT2020ocn auslöste, das ideale Ereignis sein könnte, um die Lense-Thirring-Präzession zu jagen – und da diese Art des Wobblings nur früh nach der Bildung einer Akkretionsscheibe auftritt, mussten sie schnell handeln.
„Der Schlüssel war, die richtigen Beobachtungen zu machen“, sagte Pasham. „Der einzige Weg, dies zu tun, ist, dass man, sobald eine Gezeitenstörung auftritt, ein Teleskop braucht, das dieses Objekt kontinuierlich und über einen sehr langen Zeitraum beobachtet, damit man alle möglichen Zeitskalen von Minuten bis Monaten untersuchen kann.“
Eine Illustration, die ein rotierendes supermassives Schwarzes Loch zeigt, das von den Trümmern eines toten Sterns umgeben ist und die Raumzeit (grünes Gitter) mit sich zieht (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Hier kommt das Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) der NASA ins Spiel: ein Röntgenteleskop auf der Internationalen Raumstation (ISS), das die Röntgenstrahlung in der Umgebung von Schwarzen Löchern und anderen ultradichten, kompakten massiven Objekten wie Neutronensternen misst. Das Team fand heraus, dass NICER nicht nur in der Lage war, die TDE einzufangen, sondern dass das an der ISS montierte Röntgenteleskop auch in der Lage war, das Ereignis kontinuierlich zu überwachen, während es sich über mehrere Monate entwickelte.
„Wir entdeckten, dass die Röntgenhelligkeit und die Temperatur der Region, die nach einer TDE Röntgenstrahlen aussendet, auf einer Zeitskala von 15 Tagen moduliert“, sagte Pasham. „Dieses wiederkehrende 15-Tage-Röntgensignal verschwand nach drei Monaten.“
Die Ergebnisse des Teams waren auch eine Überraschung.
Schätzungen der Masse des Schwarzen Lochs und der Masse des zerrissenen Sterns ergaben, dass sich das Schwarze Loch nicht so schnell dreht wie erwartet. „Es war etwas überraschend, dass das Schwarze Loch nicht so schnell rotiert – nur weniger als 25% der Lichtgeschwindigkeit“, sagte Pasham.
Pasham ist der Meinung, dass die Zukunft der TDE-Jagd dank des Vera C. Rubin-Observatoriums, das derzeit in Nordchile gebaut wird und eine zehnjährige Durchmusterung des Universums unter dem Namen Legacy Survey of Space and Time (LSST) durchführen soll, rosig aussieht.
„Rubin soll im Laufe des nächsten Jahrzehnts Tausende von TDEs aufspüren. Wenn wir die Lense-Thirring-Präzession auch nur bei einem kleinen Teil von ihnen messen können, werden wir in der Lage sein, etwas über die Spin-Verteilung supermassereicher Schwarzer Löcher zu sagen, die mit ihrer Entwicklung über das Alter des Universums zusammenhängt“, schloss Pasham. „Unser Team hat eine Reihe von Beobachtungsvorschlägen, um zukünftige TDEs zu verfolgen. Wir werden auf jeden Fall das Frame-Dragging um andere TDE-Schwarze Löcher untersuchen!“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (22. Mai) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
