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Eine Illustration zeigt das Schwarze Loch von V404 Cygni, das sich von einem stellaren Opfer ernährt, während ein vorsichtigerer Stern in diesem System Abstand hält (Bildnachweis: NASA)

Astronomen haben das erste „Schwarze-Loch-Dreifach“-System entdeckt, das aus einem Schwarzen Loch besteht, das sich hungrig von einem Begleitstern ernährt, während es von einem weiter entfernten, vorsichtigen Stern umkreist wird.

Schwarze Löcher entstehen beim gewaltsamen Tod massereicher Sterne in Supernova-Explosionen, aber diese überraschende Entdeckung könnte auf einen sanfteren Geburtsprozess von Schwarzen Löchern hinweisen, der „direkter Kollaps“ genannt wird. Denn wäre der Ursprung dieses Schwarzen Lochs gewalttätiger gewesen, hätte es einen „vorgeburtlichen Kick“ geliefert, der den locker gebundenen entfernten Stern aus diesem Dreifach-Sternsystem herausgeschleudert hätte.

Es handelt sich um das System V404 Cygni, das sich in der Milchstraße befindet und etwa 8.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dieses so genannte „Röntgendoppelgänger“-System aus schwarzem Loch und Opferstern war bereits bekannt, und das System wurde gut untersucht. Eine genauere Untersuchung durch ein Team unter der Leitung von Kevin Burdge vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ergab jedoch, dass dieser Doppelstern in Wirklichkeit das Herzstück eines Dreifachsternsystems ist.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die meisten Schwarzen Löcher durch gewaltige Sternexplosionen entstehen, doch diese Entdeckung stellt dies in Frage.

„Dieses System ist super spannend für die Entwicklung von Schwarzen Löchern, und es wirft auch die Frage auf, ob es da draußen noch mehr Dreifachsterne gibt“, sagte Burdge gegenüber kosmischeweiten.de per E-Mail. „Die Tatsache, dass dieser Stern immer noch gebunden ist, ist überraschend, weil es bedeutet, dass er einen energiearmen Geburtskick erhalten hat. „Insgesamt ist es nicht überraschend, dass Schwarze Löcher in Dreifachgebilden sein sollten, weil ein großer Teil der massereichen Sterne in Dreifachgebilden ist, aber was überraschend ist, ist, dass dieses System nach der Bildung des Schwarzen Lochs an dem Dreifachgebilde festgehalten hat.“

Das Team hat herausgefunden, dass der „Opferstern“ dieses Schwarzen Lochs es in nur 6,5 Erdtagen umkreist, während der neu entdeckte dritte Stern des Systems den gierigen kosmischen Titanen so weit entfernt umkreist, dass er nur einmal in 70.000 Erdjahren eine Umkreisung vollzieht.

„Diese Entdeckung war eigentlich nur ein glücklicher Zufall! Ich sah mir gerade ein Bild von V404 Cygni an und bemerkte, dass es sich in einem Tripel befand“, sagte Burdge. „Wir haben dann entdeckt, dass das Schwarze Loch in V404 Cygni wahrscheinlich ohne einen Geburtskick geboren wurde.

„Das bedeutet nicht, dass alle schwarzen Löcher keine Geburtskicks bekommen, aber es zeigt, dass zumindest einige ohne sie entstehen können.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (23. Oktober) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Bekanntes schwarzes Loch verbirgt noch Geheimnisse

Astronomen wissen seit Jahrhunderten von den Supernovae, die den Tod eines massereichen Sterns begleiten, nachdem ihm der nukleare Brennstoff in seinem Kern ausgegangen ist und er sich nicht mehr gegen seine eigene Schwerkraft abstützen kann.

Als Einsteins allgemeine Relativitätstheorie die Wissenschaftler auf den Weg brachte, der zur Entdeckung von schwarzen Löchern und Neutronensternen führte, wurden diese hellen und heftigen kosmischen Explosionen schnell mit dem Geburtsprozess dieser ultradichten Sternleichen in Verbindung gebracht.

Die schiere Kraft dieser Ereignisse bedeutet, dass sie oft heller sind als das kombinierte Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie. Das bedeutet auch, dass sie allen umkreisenden Sternen einen energetischen Kick geben, wenn sie ausbrechen.

„Die pränatalen Kicks sind der Nettoimpuls, den das Schwarze Loch nach seiner Geburt erhält. Wenn zum Beispiel eine Supernova stattfindet und die Materie asymmetrisch ausgestoßen wird, wird das Schwarze Loch in die entgegengesetzte Richtung der Materie gestoßen, um den Impuls zu erhalten“, so Burdge. „Es ist wirklich schwer, diese vorgeburtlichen Kicks einzugrenzen, zum einen, weil wir so wenige bekannte Schwarze Löcher in der Milchstraße haben, und zum anderen, weil es nicht viele gute Möglichkeiten gibt, sie zu messen, außer durch einen großen dreifachen Begleiter, wie er in diesem System zu sehen ist.“

Eine Illustration des schwarzen Röntgendoppelgängers V404 Cygni, von dem jetzt entdeckt wurde, dass er das Herz eines Dreifachsternsystems ist. (Bildnachweis: Jorge Lugo)

Ein naher Stern, der durch seine Schwerkraft eng an das neue Schwarze Loch gebunden ist, könnte die Energie, die er von dieser Supernova-Explosion erhält, überleben und im System verbleiben. Die Schwerkraft nimmt jedoch über große Entfernungen schnell ab, was bedeutet, dass alle entfernten Sterne, die nicht fest an das Schwarze Loch gebunden sind, ausgestoßen werden und als „Schurkensterne“ durch den Kosmos wandern sollten.

„Stellen Sie sich vor, Sie ziehen einen Drachen, und statt einer starken Schnur ziehen Sie an einem Spinnennetz“, erklärte Burdge in einer Erklärung des MIT. „Wenn Sie zu stark ziehen, würde das Netz reißen und Sie würden den Drachen verlieren. Die Schwerkraft ist wie eine kaum gebundene Schnur, die sehr schwach ist, und wenn man etwas Dramatisches am inneren Doppelstern macht, wird man den äußeren Stern verlieren.“

Warum ist das bei diesem Dreifach-Schwarzes-Loch dann nicht passiert?

Drei sind keine Menge für dieses schwarze Loch

Bevor das Team diese Frage beantworten konnte, musste es zunächst bestätigen, dass dieser ferne Stern definitiv den inneren Doppelstern V404 Cygni umkreist. Dazu nutzten sie 10 Jahre Beobachtungen des Weltraumteleskops Gaia, einer Raumsonde, die die Bewegung von Milliarden von Sternen in der Milchstraße genau überwacht.

Das Team fand heraus, dass sich die Sterne tatsächlich im Tandem bewegen, und stellte fest, dass die Wahrscheinlichkeit, dass diese Art von Bewegung daraus resultiert, dass die Sterne nicht dasselbe System teilen, etwa eins zu 10 Millionen beträgt. Sie stellten außerdem fest, dass der äußere Stern 3.500 Mal weiter vom zentralen Schwarzen Loch entfernt ist als die Erde von unserer Sonne.

„Die Tatsache, dass wir zwei getrennte Sterne über eine so große Entfernung sehen können, bedeutet, dass die Sterne wirklich sehr weit voneinander entfernt sein müssen“, sagte Burdge in der Erklärung. „Es ist mit ziemlicher Sicherheit kein Zufall oder Unfall. Wir sehen zwei Sterne, die sich gegenseitig folgen, weil sie durch diese schwache Schwerkraft miteinander verbunden sind. Es muss sich also um ein Dreifachsystem handeln.“

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Um herauszufinden, warum der äußere Stern dieses Systems nicht in den Weltraum geschleudert wurde, führte Burdge eine Reihe von Simulationen durch, um herauszufinden, wie sich ein solches Dreifach-Schwarzes-Loch-System bis zu seinem heutigen Zustand entwickeln und seinen äußeren Stern beibehalten konnte.

Jede Simulation begann mit drei Sternen, von denen sich einer in ein schwarzes Loch verwandelte. In die Simulationen, die Burdge zehntausende Male durchführte, wurde eine Supernova-Explosion eingefügt, wobei er die Menge der freigesetzten Energie und die Richtung, in der die Energie freigesetzt wurde, variierte. Nur wenige dieser Simulationen führten zu einem Dreifachsystem mit schwarzen Löchern.

Die einzigen Simulationen, die die Beobachtungen des Teams zu diesem System wiederholten, waren diejenigen, die eine Supernova-Explosion ausschlossen und das Schwarze Loch durch direkten Kollaps entstehen ließen.

„Die meisten Simulationen zeigen, dass dieses Dreifache am einfachsten durch einen direkten Kollaps funktioniert“, sagte Burdge.

Die Entdeckung, dass dieser äußere Stern mit V404 Cygni verbunden ist, hat dem Team auch geholfen, das Alter des Dreifachsystems aus schwarzen Löchern zu bestimmen. Das liegt daran, dass der ferne Stern dabei ist, sich in einen roten Riesenstern zu verwandeln, was geschieht, wenn Sterne ihre Hauptreihenphase verlassen und sich bis zum 100-fachen ihrer ursprünglichen Größe aufblähen.

„Der dritte Körper ist tatsächlich sehr interessant! Zusätzlich zu seiner superbreiten Umlaufbahn entwickelt sich der Stern gerade zu einem roten Riesen, wodurch wir das Alter des Systems bestimmen können“, sagte Burdge per E-Mail.

Das Team stellte anhand dieser Umwandlung fest, dass der äußere Stern etwa 4 Milliarden Jahre alt ist, und schloss daraus, dass das gesamte System sein Alter teilt. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler einen solchen Alterungsprozess durchgeführt haben.

„Wir waren nie zuvor in der Lage, dies für ein altes Schwarzes Loch zu tun“, sagte Burdge. „Jetzt wissen wir, dass V404 Cygni Teil eines Dreifachsystems ist; es könnte durch einen direkten Kollaps entstanden sein, und dank dieser Entdeckung ist es vor etwa 4 Milliarden Jahren entstanden.“

Das Team hat noch Fragen zur Natur dieses Systems, die es neben der Suche nach weiteren Dreifach-Schwarzlöchern untersuchen wird: „Eine der größten Fragen ist, wie die Umlaufbahn des äußeren Begleiters aussieht – ist sie kreisförmig oder exzentrisch? Wir werden versuchen, dies mit einem Instrument namens GRAVITY am europäischen Very Large Telescope (VLT) zu messen“, so Burdge in seiner E-Mail. „Im Moment ist es das einzige bekannte Dreifach-Schwarzloch, aber wir führen eine laufende Kampagne durch, um mehr von ihnen zu finden!“