Eine Illustration eines roten Riesensterns, der von einem schattenhaften schwarzen Loch mit stellarer Masse umkreist wird.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Für Astronomen ist die Entdeckung eines neuen schwarzen Lochs, das einen alten roten Zwergstern umkreist, an sich schon ein aufregender Fund, aber wenn es sich bei diesem schwarzen Loch um ein „fehlendes Glied“ handelt, ein schwarzes Loch mit stellarer Masse, kann man die Spannung auf 11 erhöhen! Genau das scheint im Doppelsternsystem G3425 zu lauern, das schätzungsweise 5.800 Lichtjahre entfernt ist.
Die sichtbare Komponente von G3425 ist ein Roter Riese, ein Stern, der entsteht, wenn der Wasserstoffvorrat eines Sterns erschöpft ist und er in seinem Kern keine Kernfusion mehr durchführen kann. Dies führt dazu, dass sich die äußeren Schichten (in denen die Kernfusion weiterläuft) bis zum 100-fachen der ursprünglichen Breite des Sterns „aufblähen“.
Unser eigener Stern, die Sonne, befindet sich derzeit in ihrem mittleren Alter. Das bedeutet, dass sie in etwa 5 Milliarden Jahren in ihre Rote-Riesen-Phase eintreten und sich bis etwa zur Umlaufbahn des Mars aufblähen und die inneren Planeten, einschließlich der Erde, verschlucken wird. Selbst dann wird die rote Riesensonne mit ziemlicher Sicherheit kein stellarmassiges Schwarzes Loch als Begleiter haben. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Der Rote Zwerg in diesem System hat eine Masse, die etwa 2,7-mal so groß ist wie die unserer Sonne, aber was die Wissenschaftler wirklich interessiert, ist die Masse seines kompakten dunklen Begleiters. Dieses neu entdeckte schwarze Loch wurde von einem Team unter der Leitung von Wang Song von den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (NAOC) gewogen. Seine Masse ist zwischen 3,1 und 4,4 Mal so groß wie die der Sonne, wahrscheinlich etwa 3,6 Sonnenmassen.
„Das Schwarze Loch fällt in die berühmte Massenlücke, was es zu einem der leichtesten Schwarzen Löcher macht, die bisher entdeckt wurden“, so Song gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Entdeckung bestätigt nicht nur die Existenz von Schwarzen Löchern mit Masselücke, sondern zeigt auch, dass Doppelsterne mit massearmen Schwarzen Löchern eine Supernova-Explosion überleben können.“
Song und Kollegen entdeckten dieses stellarmasse Schwarze Loch in Daten, die vom Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) und vom Weltraumteleskop Gaia gesammelt wurden, das die Positionen von Milliarden von Sternen in der Milchstraße und darüber hinaus präzise misst.
Diese Kombination von Daten und Techniken ermöglichte es den Forschern, die Gravitationswirkung des Schwarzen Lochs auf seinen roten Zwergstern zu beobachten, die ihn dazu zwang, sich zu offenbaren.
Mystery of the missing masses
Schwarze Löcher haben nur sehr wenige definierende Eigenschaften, eine Tatsache, die der Physiker John Wheeler einmal mit den Worten „Schwarze Löcher haben keine Haare“ beschrieben hat. Neben der elektrischen Ladung und dem Drehimpuls ist eine der Eigenschaften, die schwarze Löcher haben und die es den Astronomen ermöglichen, sie zu unterscheiden, ihre Masse.
Die Könige der Masse sind die supermassiven Schwarzen Löcher, die im Herzen der meisten, wenn nicht sogar aller großen Galaxien lauern und eine Masse haben, die Millionen bis Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne. Noch kleiner sind die schwer fassbaren Schwarzen Löcher mittlerer Masse, die eine Masse zwischen 100 und 100.000 Sonnenmassen haben.
Beide Arten von Schwarzen Löchern sind zu massiv, um zu entstehen, wenn einem Stern der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht und er nach wiederholten Kollapsen und Expansionsschüben unter seiner eigenen Schwerkraft vollständig zusammenbricht. Daher wachsen sie, indem sie sich gierig von der sie umgebenden Materie ernähren oder indem sie immer wieder mit anderen schwarzen Löchern verschmelzen.
Die kleinsten astrophysikalischen Schwarzen Löcher, die wir kennen, sind die so genannten stellaren Schwarzen Löcher, die wir mit einer Masse bis zum 100-fachen der Sonne finden. Diese schwarzen Löcher haben genau die richtige Größe, um zu entstehen, wenn ein Stern, der mindestens achtmal so massiv ist wie die Sonne, keine immer schwereren Elemente mehr fusionieren kann und somit nicht mehr die Energie aufbringen kann, um gegen den nach innen gerichteten Druck seiner eigenen Schwerkraft anzukämpfen.
Eine Illustration, die die drei Arten von astrophysikalischen Schwarzen Löchern zeigt, von den massereichsten auf der linken Seite bis zu den am wenigsten massereichen auf der rechten Seite (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
In den letzten 60 Jahren haben Astronomen Dutzende von stellarmassen Schwarzen Löchern gefunden, die in eine Verteilung von 5 bis 25 Sonnenmassen passen. So weit, so gut, aber es gibt ein Problem.
Die Theorien über die Entstehung schwarzer Löcher besagen, dass, nachdem ein Stern den Großteil seiner Masse durch eine gewaltige Supernova-Explosion verloren hat, die den Sieg der Schwerkraft signalisiert, diejenigen Sterne, die nur noch die dreifache Sonnenmasse haben, immer noch in der Lage sein sollten, ein stellarmassiges schwarzes Loch zu bilden. Damit stellt sich die Frage: Wo sind all die schwarzen Löcher mit einer Masse von 3 bis 5 Sonnenmassen?
Eine Illustration von G3425 mit einem roten Zwergstern und einem schwarzen Loch. (Bildnachweis: Wang Song)
Eine Möglichkeit ist, dass es einen Mechanismus gibt, der während einer Supernova ins Spiel kommt und verhindert, dass sich schwarze Löcher mit 3 bis 5 Sonnenmassen bilden.
Alternativ dazu könnten Schwarze Löcher mit geringerer Masse eher durch die „Tritte“ gestört werden, die sie während einer Supernova-Explosion erhalten, und daher weniger wahrscheinlich in einem Doppelstern mit einem sichtbaren Begleiter verweilen, wodurch sie leichter zu erkennen sind.
Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass alle schwarzen Löcher, unabhängig von ihrer Masse, von einer Licht einfangenden Fläche, dem sogenannten Ereignishorizont, begrenzt werden, der sie praktisch unsichtbar macht. Schwarze Löcher in einem Doppelstern, wie das in G3425, können anhand der Auswirkungen, die sie auf ihren sichtbaren Begleiter haben, identifiziert werden. Wenn das der Fall ist, wie hat es dieses schwarze Loch geschafft, diesen Mechanismus zu überleben und/oder dem Stoß zu widerstehen, der es eigentlich von seinem Begleiter wegschieben sollte?
Ein weiteres Rätsel umgibt dieses System. G3425 ist ein weiter Doppelstern mit einer Umlaufzeit von etwa 880 Erdtagen. Die Umlaufbahn hat eine „Exzentrizität“ von Null, was bedeutet, dass sie ein nahezu perfekter Kreis ist. Das Team kann dies derzeit nicht durch die üblichen Entwicklungsprozesse von Doppelsternsystemen erklären.
„Das Überraschendste ist die weite kreisförmige Umlaufbahn des Doppelsterns“, sagte Song. „Die Bildung eines solchen Doppelsterns, insbesondere mit einem massearmen Schwarzen Loch, stellt eine große Herausforderung für die derzeitigen Theorien über die Entwicklung von Doppelsternsystemen und Supernovaexplosionen dar.“
Die Entstehung dieses Doppelsterns aus Rotem Zwerg und Schwarzem Loch mit einer überraschend weiten kreisförmigen Umlaufbahn stellt zwar eine Herausforderung für die derzeitigen Theorien über die Entwicklung von Doppelsternsystemen und Supernovaexplosionen dar, hat aber auch einige positive Aspekte mit sich gebracht.
Diese Ergebnisse beweisen, dass stille und unsichtbare Objekte in Doppelsternsystemen anhand der Auswirkungen, die sie auf ihre Begleiter haben, aufgespürt werden können, und dass die Entdeckung versteckter massearmer schwarzer Löcher Einblicke in die Entwicklung von Doppelsternsystemen geben kann.
