Eine Illustration des Doppelsternsystems Cygnus X-3, ein kompaktes Objekt, das wahrscheinlich ein schwarzes Loch und einen heißen Wolf-Rayet-Stern enthält (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Mit der von Japan geleiteten X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) haben Astronomen einen tiefen Blick in ein faszinierendes Doppelsternsystem geworfen, das vermutlich ein „verstecktes“ Schwarzes Loch und einen massereichen Stern mit starken Sternwinden enthält.
Das Röntgenteleskop XRISM, das gemeinsam von der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und der NASA betrieben wird, hat die bisher detaillierteste Karte der Gase erstellt, die durch dieses System mit dem Namen Cygnus X-3 strömen. Cygnus X-3 befindet sich in etwa 32.000 Lichtjahren Entfernung in Richtung des nördlichen Sternbilds Cygnus, dem Schwan.
„Für XRISM [ausgesprochen ‚crism‘] ist Cygnus X-3 ein Goldlöckchen-Ziel – seine Helligkeit ist ‚genau richtig‘ in dem Energiebereich, in dem XRISM besonders empfindlich ist“, sagte Teammitglied und NASA Goddard Space Flight Center Astrophysiker Timothy Kallman in einer Erklärung. „Diese ungewöhnliche Quelle wurde von jedem jemals geflogenen Röntgensatelliten untersucht, so dass ihre Beobachtung eine Art Übergangsritus für neue Röntgenmissionen darstellt.“
Die beiden Bewohner dieses Systems, ein mutmaßliches Schwarzes Loch und ein massereicher Stern, sind so nahe beieinander, dass sie in knapp 5 Stunden eine Umlaufbahn umeinander vollziehen. Diese Nähe bedeutet, dass der massereiche Stern dabei zu sein scheint, von seinem kompakten stellaren Überrest, bei dem es sich wahrscheinlich um ein Schwarzes Loch handelt, verschlungen zu werden. Der wohl faszinierendste Aspekt von Cygnus X-3 ist der massereiche Stern selbst, der diesen mysteriösen toten stellaren Überrest umkreist.
„Die Art des massereichen Sterns ist ein Faktor, der Cygnus X-3 so faszinierend macht“, sagte der Leiter des Teams und NASA-Forscher Ralf Ballhausen vom Goddard Space Flight Center in der Erklärung. „Es handelt sich um einen Wolf-Rayet-Stern, einen Sterntyp, der sich so weit entwickelt hat, dass starke Ausströmungen, so genannte Sternwinde, Gas von der Oberfläche des Sterns abziehen und es nach außen treiben. Das kompakte Objekt nimmt einen Teil dieses Gases auf und erhitzt es, so dass es Röntgenstrahlung aussendet.“
Im Cygnus X-3 wehen die Winde mit 1.000-facher Schallgeschwindigkeit
Röntgenstrahlen sind für die Untersuchung von Cygnus X-3 nützlich, da dieses System durch dicke Staubwolken in der zentralen Ebene der Milchstraße verdeckt ist, die sichtbares Licht absorbieren. Hochenergetisches Licht wie Röntgen- und Gammastrahlung kann diese Wolken durchdringen, ebenso wie niederenergetisches Licht wie Radiowellen.
Cygnus X-3 ist auch von Gas umhüllt, das von seinem massereichen Stern stammt. Röntgenstrahlen aus der Umgebung des vermuteten Schwarzen Lochs ionisieren diese Gashülle, wodurch das Material selbst Röntgenstrahlen aussendet.
Der Röntgendoppelstern Cygnus X-3, bei dem ein massereicher Stern langsam von einem begleitenden Schwarzen Loch oder Neutronenstern verschlungen wird (Bildnachweis: Röntgen: NASA/CXC/SAO/M.McCollough et al, Radio: ASIAA/SAO/SMA)
XRISM untersuchte Cygnus X-3 im März 2024 rund 18 Stunden lang mit seinem Resolve-Instrument. Dies ermöglichte die Aufnahme eines hochauflösenden Spektrums, das die komplexe Gasdynamik in Cygnus X-3 aufzeigt, einschließlich des ausströmenden Gases, das von dem heißen, massereichen Wolf-Rayet-Stern erzeugt wird.
Die Kartierung des Gases zeigte auch, wie dieses Gas mit dem vermuteten Schwarzen Loch in Cygnus X-3 interagiert. Das Team sah auch, wie eine turbulente Region in Cygnus X-3 erzeugt wird, die das Ergebnis dieses kompakten stellaren Überrests zu sein scheint, der durch das Gas des Wolf-Rayet-Sterns taucht.
XRISMs Resolve-Instrument hat das bisher detaillierteste Röntgenspektrum von Cygnus X-3 aufgenommen. Spitzen zeigen Röntgenstrahlen an, die von ionisierten Gasen emittiert werden, und Täler bilden sich dort, wo die Gase Röntgenstrahlen absorbieren; viele Linien sind außerdem durch Gasbewegungen sowohl zu höheren als auch zu niedrigeren Energien verschoben. (Bildnachweis: JAXA/NASA/XRISM Kollaboration)
Das von XRISM beobachtete Spektrum ist schwer zu interpretieren, da einige seiner Spitzen und Täler verschoben zu sein scheinen. Dies ist das Ergebnis der schnellen Bewegung des Gases, die dazu führt, dass die Wellenlängen des Lichts aus dem Gas „rotverschoben“ sind, wenn es sich von der Erde entfernt, und „blauverschoben“, wenn es sich auf unseren Planeten zubewegt.
Der größte Teil des Gases in Cygnus X-3 ist blauverschoben, was darauf hindeutet, dass es sich auf uns zubewegt. Das Wissenschaftlerteam schätzt, dass es sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 930.000 Meilen pro Stunde (1,5 Millionen Kilometer pro Stunde) bewegt. Das ist etwa das 1.000-fache der Schallgeschwindigkeit, die hier auf der Erde gemessen wird.
Die von der Raumsonde XRISM gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass die kleine Gasmenge in Cygnus X-3, die sich von der Erde entfernt, dies mit einer viel geringeren Geschwindigkeit tut.
Das Team fand außerdem heraus, dass die Spektrumsmerkmale des Gases in Cygnus X-3 auf eine stärkere Absorption von Photonen, den fundamentalen Teilchen des Lichts, hinweisen als auf Emission.
Anhand der von ionisiertem Eisen erzeugten Merkmale schlossen Ballhausen und Kollegen, dass die Dynamik des Sternwinds es dem sich bewegenden Gas dieses Doppelsternsystems ermöglicht, einen breiteren Bereich von Röntgenenergien zu absorbieren, die von dem kompakten stellaren Überrest im Begleiter von Cygnus X-3 ausgesendet werden.
„Ein Schlüssel zur Erlangung dieser Details war die Fähigkeit von XRISM, das System über mehrere Umlaufbahnen hinweg zu beobachten“, sagte der NASA-Wissenschaftler für das XRISM-Projekt, Brian Williams. „Es gibt noch viel mehr in diesem Spektrum zu entdecken, und wir hoffen, dass es uns letztendlich helfen wird, festzustellen, ob das kompakte Objekt von Cygnus X-3 tatsächlich ein Schwarzes Loch ist.“
Die Forschungsergebnisse des Teams sollen im Astrophysical Journal veröffentlicht werden.
