Eine Illustration zeigt einen massereichen Stern, der einen kleineren Stern um das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße kannibalisiert (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Wissenschaftler haben das grausame Geheimnis hinter der scheinbaren Jugend einiger Sterne im Herzen der Milchstraße entdeckt – Sterne, die an einer Art kosmischem Abrissrennen um das supermassive Schwarze Loch unserer Galaxie, Sagittarius A* oder Sgr A*, teilnehmen.
Wie eine kosmische Version der Serienmörderin Elizabeth Bathory aus dem 17. Jahrhundert, die angeblich ihr jugendliches Aussehen durch ein Bad im Blut ihrer Opfer zu erhalten suchte, scheinen einige dieser Sterne jung zu bleiben, indem sie mit ihren Nachbarsternen zusammenstoßen und sich mit dem gestohlenen Sternenmaterial überziehen. Dieser kannibalistische Prozess lässt das stellare Opfer als seltsamen, entkleideten „Zombie“-Stern zurück und verdammt den kannibalischen Stern zu einem frühen Tod.
Dies ist nur ein Vorgeschmack auf die seltsamen Erkenntnisse, die aus einer Simulation von 1.000 dicht gepackten Sternen hervorgegangen sind, die das zentrale supermassive Schwarze Loch der Milchstraße umkreisen, einer Studie, die von Wissenschaftlern der Northwestern University durchgeführt wurde.
„Die Beobachtung der Zentren anderer Galaxien ist sehr schwierig, weil sie so weit entfernt sind“, erklärt Sanaea C. Rose, Forschungsleiterin und Wissenschaftlerin an der Northwestern University, gegenüber kosmischeweiten.de. „Das Studium unseres eigenen galaktischen Zentrums kann uns Aufschluss darüber geben, was in den Zentren aller Galaxien vor sich geht.“
Das Herz der Milchstraße ist eine der extremsten Umgebungen, die Astronomen von der Erde aus beobachten können. In dieser Region befindet sich Sgr A*, ein schwarzes Loch mit einer Masse, die der von 4,5 Millionen Sonnen entspricht, und ein kosmisches Monster, das von über einer Million Sternen umkreist wird.
Diese Sterne sind in einem Gebiet von etwa 4 Lichtjahren Breite zusammengepfercht, was in etwa der Entfernung zwischen der Sonne und ihrem nächsten stellaren Nachbarn, Proxima Centauri, entspricht. Das bedeutet, dass Ereignisse wie Sternkollisionen, die in unserer dünn besiedelten Region der Milchstraße relativ selten sind, in der Umgebung von Sgr A* fast alltäglich sind.
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„Das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße ist von einem sehr dichten Sternhaufen umgeben, und viele dieser Sterne bewegen sich mit Geschwindigkeiten von Hunderten bis Tausenden von Kilometern pro Sekunde auf ihren Bahnen“, so Rose.
Das Studium des gewalttätigen Herzens der Milchstraße kann somit aufzeigen, wie sich Sterne unter dem Einfluss der extremen Schwerkraft eines supermassiven Schwarzen Lochs verhalten, entwickeln und interagieren
Der Teil über das kosmische Demolitionsderby
Während die Simulationen des Teams viele Faktoren und Merkmale berücksichtigten, wie z. B. die Sternmasse und die Dichte des Sternhaufens, stach eines als besonders wichtig hervor, um das Schicksal eines Sterns in der Nähe des Herzens der Milchstraße zu bestimmen.
Rose erklärte, dass im Allgemeinen die Entfernung eines Sterns von Sgr A* ein guter Hinweis darauf ist, ob er mit einem anderen Stern kollidieren wird und um welche Art von Kollision es sich handeln würde.
„Der Haufen wird immer dichter bevölkert, je näher man dem supermassiven schwarzen Loch kommt, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision steigt“, sagte sie. „Es ist ein bisschen so, als würde man in New York City zur Hauptverkehrszeit durch eine unglaublich überfüllte U-Bahn-Station rennen. Je näher ein Stern an Sgr A* ist, desto schneller wird er von der immensen Schwerkraft des Schwarzen Lochs herumgepeitscht. Infolgedessen können sich Sterne in unmittelbarer Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs mit einer Geschwindigkeit von etwa 29 Millionen Kilometern pro Stunde bewegen, so dass das Herz der Milchstraße eher einem Abrissbirnenrennen als einer überfüllten New Yorker U-Bahn gleicht.
Das bedeutet, dass Kollisionen in der innersten Region von Sgr A*, d. h. in einem Bereich, der etwa dem 2.000-fachen Abstand zwischen Erde und Sonne oder 0,01 Parsec entspricht, eher zerstörerischer Natur sind.
Das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße Sgr A*, das ein kosmisches Zerstörungsderby veranstaltet (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Im Umkreis von etwa 0,01 Parsec von Sgr A* stoßen solche Sterne ständig zusammen, aber nur selten kommt es zu einem Frontalzusammenstoß. Das bedeutet, dass die streifenden Zusammenstöße dazu führen, dass ein Stern seine äußeren Schichten abwirft und dann auf Kollisionskurs mit einem anderen Nachbarn geht, ähnlich wie bei einem Auto, dem die Stoßstange abgerissen wird, bevor es wegfährt.
„Sie prallen aufeinander und machen weiter. Sie streifen sich gegenseitig, als ob sie sich heftig abklatschen würden“, sagte Rose.
Wie viel Material ein Stern in diesem Chaos verliert, hängt davon ab, wie schnell er sich bewegt und wie sehr er sich mit dem Stern überschneidet, mit dem er kollidiert. Ein Ergebnis dieser zerstörerischen Kollisionen ist eine merkwürdige Population von Sternen, die sich entleert haben, und von Sternen, die dank des Badens in wasserstoffreicher, ausgestoßener Sternmaterie, die von den ersteren abgetrennt wurde, jugendlich aussehen.
Dieses jugendliche Aussehen hat jedoch seinen Preis. Je massereicher ein Stern ist, desto schneller verbrennt er seinen Brennstoffvorrat für die Kernfusion, ein Prozess, der verhindert, dass er unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Durch die Anhäufung dieses gestohlenen Materials verkürzen diese massereichen Sterne also ihr eigenes Leben.
Weiter entfernt von Sgr A*, in einer Entfernung von etwa 0,1 Parsec, was etwa dem 21.000-fachen der Entfernung zwischen der Sonne und der Erde entspricht, kollidieren Sterne seltener und mit geringerer Geschwindigkeit. Wenn diese langsameren Zusammenstöße stattfinden, so zeigte die Simulation von Rose und Kollegen, ist eine vollständige Verschmelzung, bei der zwei Sterne zu einem riesigen Stern werden, wahrscheinlich.
„Bei Kollisionen außerhalb von 0,01 Parsec ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass die kollidierenden Sterne verschmelzen“, fügte sie hinzu. „Sterne im Umkreis von 0,1 Parsec von Sgr A* haben eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, während ihrer Lebenszeit mindestens eine Kollision zu erleben.“
Rose erklärte, dass einer der befriedigendsten Aspekte bei der Verwendung dieses Modells, um einige der unerklärlichen Beobachtungen von Sternen im Herzen der Milchstraße anzugehen, die Tatsache ist, dass es auf einer relativ einfachen Berechnung beruht.
„Etwas, das ich persönlich sehr besonders an meiner Forschung fand, ist die Tatsache, dass sie auf der Berechnung einer Kollisionszeitskala basiert, was etwas ist, das relativ früh im Physikstudium gelehrt wird“, sagte sie. „Es war wunderbar, mit einer relativ einfachen Berechnung etwas über eine extrem komplexe Umgebung zu lernen, die mit nichts in unserer solaren Nachbarschaft vergleichbar ist.“
Das Team hat bisher zwei Studien unter Verwendung des Modells erstellt, von denen eine in diesem Monat in The Astrophysical Journal Letters und eine weitere im September 2023 veröffentlicht wurde, aber sie sind noch nicht fertig damit.
„Die nächsten Schritte bestehen darin, die derzeit im Modell enthaltene Physik zu erweitern“, so Rose abschließend. „Das galaktische Zentrum ist eine extrem komplexe Umgebung, so dass es immer Dinge gibt, die wir hinzufügen können, und unsere Arbeit ist nie beendet!“
Rose präsentierte diese Forschung auf der April-Tagung der American Physical Society in Sacramento, Kalifornien, am Donnerstag (4. April) im Rahmen der Sitzung „Particle Astrophysics and the Galactic Center“.
