Blog

Eine Illustration eines sonnenähnlichen Sterns, der ein Schwarzes Loch umkreist (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Der Tod durch ein Schwarzes Loch ist für Sterne, die in Doppelsternsystemen mit einem dieser kosmischen Titanen existieren, nicht immer unvermeidlich.

Möglicherweise gibt es für kleine Sterne in solchen Systemen eine Möglichkeit, ihrem erwarteten Schicksal zu entgehen: heftige Supernovas, die in der Entstehung eines weiteren Schwarzen Lochs enden. Es wird angenommen, dass dieser erwartete Mechanismus die kleinen Sterne auch zu Snacks für ihre Partner im Schwarzen Loch macht.

Die Enthüllung stammt von zwei seltsamen Doppelsternsystemen mit schwarzen Löchern, die vom hochpräzisen Weltraumteleskop Gaia entdeckt wurden. In diesen Systemen befinden sich zwei der der Erde am nächsten gelegenen Schwarzen Löcher.

Die schwarzen Löcher mit den Bezeichnungen BH1 und BH2 befinden sich nur 1 560 und 3 800 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbilds Ophiuchus. Die Systeme, in denen sie sich befinden, enthalten Sterne in weiten Umlaufbahnen, die nicht von ihren schwarzen Lochbegleitern genährt werden und sich noch in der gleichen Entwicklungsphase wie die Sonne befinden.

Das ist außergewöhnlich, da Begleitsterne die Umwandlung ihres massereichen Partnersterns in ein Schwarzes Loch eigentlich nicht überleben sollten. Das liegt daran, dass die Umwandlung in ein Schwarzes Loch gewaltig und turbulent ist. Massereiche Sterne blähen sich auf und verschlingen Begleitsterne, bevor sie explodieren und kleinere Begleitsterne mit stellarem Material und genügend Energie überziehen, um sie zu zerstören oder aus der Umlaufbahn zu werfen. Das bedeutet, dass kleine Begleitsterne von Schwarzen Löchern im Allgemeinen entweder zerstört, verschlungen oder herausgeschleudert werden.

Dieses Schicksal wird im Allgemeinen durch Wechselwirkungen wie Massentransfers zwischen den kleinen Begleitsternen und den massereichen Sternen besiegelt, aus denen Schwarze Löcher oder „Vorläufersterne“ vor ihrem Tod entstehen.

„Wir haben einen Weg untersucht, um eine Wechselwirkung des Vorläufersterns eines Schwarzen Lochs mit seinem Begleiter zu vermeiden“, sagt der Hauptautor der Studie, Matthias Kruckow, gegenüber kosmischeweiten.de.

Diese Ergebnisse werden Sie umhauen

Die Sterne, die starben, um die Schwarzen Löcher BH1 und BH2 zu erzeugen, waren so groß, dass sie während ihres Todes mit ihren kleineren Begleitsternen wechselwirkten, deren Masse etwa zehnmal so groß war wie die der Sonne.

Wenn dies jedoch der Fall gewesen wäre, hätten die Begleitsterne von BH1 und BH2 aus ihrer Hauptreihenlebenszeit herausgedrängt werden müssen; diese Phase macht 90 % der Lebenszeit eines Sterns aus, während der er ein gewöhnlicher Stern wie die Sonne ist, der Wasserstoff verbrennt, um in seinem Kern Helium zu erzeugen. Die Begleitsterne von BH1 und BH2 scheinen sich jedoch noch in der Hauptreihenphase zu befinden, auch wenn dies noch nicht ganz klar ist. Außerdem dürfte der Massentransfer zwischen den Begleitsternen und den Sternen, die bei der Entstehung dieser Schwarzen Löcher gestorben sind, die Umlaufbahnen dieser Systeme enger gemacht haben.

In diesen Fällen entwickeln sich Systeme mit Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen mit Begleitsternen. In diesen Fällen wären die Begleitsterne in diesen engen Umlaufbahnen jedoch so nahe am Schwarzen Loch, dass dieser kosmische Titan damit beginnen würde, stellares Material abzutragen. Dieses Material würde eine Materialscheibe um das Schwarze Loch bilden, die es allmählich füttert.

Abbildung einer Gezeitenstörung, bei der ein Stern von einem Schwarzen Loch verschlungen wird (Bildnachweis: ESA/C. Carreau)

Die enorme Schwerkraft des Schwarzen Lochs verursacht enorme Gezeitenkräfte in den Akkretionsscheiben, die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, einschließlich Röntgenstrahlung, führen.

Daher werden Doppelsternsysteme mit Schwarzen Löchern in der Regel an ihren starken Röntgenemissionen erkannt. Bei den Systemen BH1 und BH2 fehlen diese Röntgensignaturen jedoch.

Wären die Sterne nahe genug an ihren Partnern, den Schwarzen Löchern, gewesen, hätten sie durch die enorme Schwerkraft und die Gezeitenkräfte, die in ihnen entstehen, sogar zu einem Strang stellarer Nudeln gequetscht werden können. Dieser Tod durch „Spaghettifizierung“ und das Verschlingen von Sternenmaterial wird als „Tidal Disruption Event“ oder „TDE“ bezeichnet. Sie sind mit hellen Strahlungsemissionen verbunden. Auch dies ist etwas, das die Sterne um BH1 und BH2 vermieden haben – aber wie?

Die Antwort weht im Wind

Nachdem sie die Entwicklung von Sternen mit einer Masse von mehr als dem 80-fachen der Sonne verfolgt haben, sind Krucow und sein Team auf eine Lösung und einen potenziellen Überlebensmechanismus für kleine Sterne in der Nähe von Schwarzen Löchern gestoßen.

Kruckow erklärte, dass der Schlüssel zum Überleben in den starken Winden liegt, die von extrem massereichen Sternen mit hohen Konzentrationen von Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind und die Astronomen „Metalle“ nennen, ausgehen. Diese Winde tragen nicht nur dazu bei, den Massentransfer zwischen den Sternen zu verhindern, bevor sich das Schwarze Loch bildet, sondern bewirken auch, dass der massereiche Vorgängerstern an Masse verliert und schrumpft. Die starken Winde des massereichen Sterns drängen auch den Begleitstern auf eine weitere Umlaufbahn.

Diese Elemente tragen dazu bei, den Begleitstern davor zu schützen, verschlungen zu werden, wenn ihre massereichen Begleiter zur Supernova werden. Dieselben Faktoren sorgen auch für eine breitere Umlaufbahn, die verhindert, dass der Stern einen grausamen Tod durch TDE erleidet oder von seinem Begleiter, dem Schwarzen Loch, aufgefressen wird.

Die Tatsache, dass BH1 und BH2 ähnliche Massen haben, deutet für das Team darauf hin, dass beide Systeme denselben Entwicklungsweg genommen haben.

„Es war aufschlussreich, dass die Winde in den verschiedenen Phasen der Sternentwicklung für die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Arten von Doppelsternsystemen verantwortlich sind“, sagte Kruckow.

Gaia hat auch ein drittes Schwarzes-Loch-Binärsystem entdeckt, bei dem es sich laut Kruckow um eine andere Art von System zu handeln scheint: „Gaia BH3 unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht, nicht nur durch seine andere Masse, sondern auch durch eine andere Metallizität des Begleiters, die viel niedriger ist als bei Gaia BH1 und BH2“, so Kruckow. „Außerdem ist Gaia BH3 mit einem Strom von Sternen verbunden, von dem man annimmt, dass er der Überrest eines Sternhaufens ist.“

Ein Diagramm, das die Lage der drei von Gaia entdeckten Schwarzen Löcher zeigt, einschließlich der seltsamen Systeme BH1 und BH2. (Bildnachweis: ESA/Gaia Collaboration)

Während diese Winde und die großen Doppelsterne, die sie erzeugen, für das Überleben kleiner Sterne um Schwarze Löcher hilfreich sind, sind sie für Astronomen, die nach solchen Systemen suchen, eher hinderlich.

Kruckow erklärte, dass diese breitere Umlaufbahn es anfangs schwierig machte, BH1 und BH2 als Doppelsterne zu bestätigen, da die Astronomen nur die sonnenähnlichen Sternelemente beobachten konnten, während ihre Partner im Schwarzen Loch unsichtbar blieben.

„Hinzu kommen die langen Zeiträume, die erforderlich sind, um den Stern über einen langen Zeitraum erneut zu beobachten, um die gesamte Umlaufbahn abzudecken. Dies ist notwendig, um Doppelsterne von zufälligen Vorbeiflügen zu unterscheiden“, fügte Kruckow hinzu.

Der Forscher erklärte, dass Gaia so konzipiert ist, dass es Bilder mit sehr hoher Auflösung macht, was bedeutet, dass ein Vergleich der Bilder es den Astronomen ermöglicht, die winzigen Bewegungen zu sehen, die diese entfernten Sterne haben.

„Im Moment ist dies die einzige Möglichkeit, diese großen Doppelsternsysteme mit schwarzen Löchern zu entdecken“, sagte Kruckow.

(Bildnachweis: SA, CC BY)

„Leider ist es sehr ungewiss, wie häufig Systeme wie BH1 und BH2 sind, aber wir gehen davon aus, dass es Hunderte bis Tausende von ihnen in unserer Galaxie gibt“, sagte Kruckow. „Die Ungewissheit rührt von der mangelnden Kenntnis der extrem massereichen Sterne her, die schwarze Löcher bilden. Vor allem, wenn diese Sterne in Doppelsternen vorkommen.“

Trotz dieser Ungewissheit erwartet das Team, dass Gaia in der Lage sein sollte, mehrere Prozent dieser Doppelsterne in der Milchstraße zu entdecken.

„Wir können also darauf hoffen, dass mit den kommenden Datenveröffentlichungen von Gaia einige zehn bis hundert entdeckt werden“, schloss Kruckow.

Die Forschungsarbeit des Teams ist als Preprint auf der Website arXiv verfügbar.