Blog

Gamma-Strahlen, die von der NASA-Raumsonde Fermi entdeckt wurden, weisen darauf hin, dass Mikroquasare von kleinen schwarzen Löchern angetrieben werden, die langsam Sterne verschlingen. Sie haben es in sich und bombardieren die Erde mit kosmischer Strahlung.

Eine Illustration eines schwarzen Lochs mit stellarer Masse, das langsam einen Stern in einem Mikroquasar-System verschlingt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Anhand von 16 Jahren Daten der NASA-Raumsonde Fermi, die Gammastrahlen aufspürt, haben Astronomen entdeckt, dass „Mikroquasare“, Systeme, in denen ein schwarzes Loch langsam einen Stern verschlingt, zwar klein sind, aber eine gewaltige Wirkung haben. Trotz ihrer Winzigkeit deuten diese Forschungsergebnisse darauf hin, dass selbst Mikroquasare, die kleine Sterne verschlingen, einen beeindruckenden kosmischen Einfluss ausüben können, indem sie zu starken natürlichen Teilchenbeschleunigern werden.

Das bedeutet, dass Schwarze Löcher, die sich an stellaren Mahlzeiten jeder Größe laben, für eine größere Menge hochenergetischer geladener Teilchen verantwortlich sein könnten, die als „kosmische Strahlen“ bezeichnet werden und die Erde ständig bombardieren, als bisher angenommen. Der Mechanismus für diese Teilchenbeschleunigung sind die fast lichtschnellen Jets, die von Mikroquasaren ausgestoßen werden.

„Die Erde wird ständig von Teilchen bombardiert, die anderswo in unserer Galaxie beschleunigt werden. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Protonen und Elektronen, die gemeinhin als kosmische Strahlung bekannt sind“, sagt Guillem Martí-Devesa von der Università di Trieste, Co-Leiter des Teams, gegenüber kosmischeweiten.de. „Ihr Ursprung ist jedoch seit Jahrzehnten umstritten.“

Was Martí-Devesa und die Co-Leiterin des Teams, Laura Olivera-Nieto vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, gefunden haben, ist eine neue Quelle von Gammastrahlen, die mit der Position von GRS 1915+105 übereinstimmt, einem bekannten Mikroquasar, in dem ein Schwarzes Loch langsam einen massearmen Stern verschlingt.

„Quellen zu finden, die Teilchen beschleunigen können, und zu verstehen, was sie so besonders macht, ist der erste Schritt, um herauszufinden, warum und wie das Universum manchmal einen sehr kleinen Teil der Teilchen mit riesigen Energiemengen versorgt“, sagt Olivera-Nieto gegenüber kosmischeweiten.de. „Um Teilchen zu beschleunigen, braucht man in der Regel ein paar Zutaten: starke Magnetfelder, viel Energie und auch die Anwesenheit von Teilchen, die man beschleunigen kann.

„Microquasar Jets haben sie alle!“

Quasare vs. Miniquasare

Standard-Quasare werden von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben, die sich an der umgebenden Materie und dem Gas in den zentralen Regionen einiger Galaxien, den so genannten aktiven galaktischen Kernen (AGNs), laben. Quasare gehören zu den hellsten Lichtquellen im Kosmos und überstrahlen oft das kombinierte Licht von Milliarden von Sternen in der sie umgebenden Galaxie.

Während supermassereiche Schwarze Löcher die millionen- bis milliardenfache Masse der Sonne aufweisen, haben die stellaren Schwarzen Löcher im Herzen von Mikroquasaren nur eine Masse von einigen hundert Sonnenmassen.

„Die meisten Sterne in der Galaxie sind nicht allein, sondern umkreisen einen anderen Stern. Mikroquasare sind eine besondere Art von Treppenpaaren, bei denen einer der beiden Sterne bereits ‚gestorben‘ ist, d. h. keinen Brennstoff mehr hat und explodiert ist“, so Olivera-Nieto. „Was zurückbleibt, ist ein Schwarzes Loch. Wenn der normale Stern nahe genug am Schwarzen Loch ist, beginnt das Schwarze Loch, Materie aus ihm herauszureißen und zu verschlucken. „Wir nennen diese Objekte ‚Mikroquasare‘, weil sie Quasaren ähneln, einem analogen Phänomen, aber mit supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien.“

Eine Illustration zeigt ein schwarzes Loch, das langsam einen Stern verschlingt. (Bildnachweis: Science Communication Lab für MPIK/H.E.S.S.)

Schwarze Löcher, die Sterne verschlingen, sind ein ziemlich häufiges Phänomen. Wenn sich ein Stern zu nahe an ein supermassives Schwarzes Loch heranwagt, erzeugt der enorme Gravitationseinfluss dieses kosmischen Titanen Gezeitenkräfte, die den Stern horizontal quetschen und vertikal strecken.

Dieser Prozess der „Spaghettifizierung“ verwandelt den unglücklichen Stern in eine Nudel aus stellarem Material, die sich um das supermassive Schwarze Loch wickelt und ihm nach und nach zugeführt wird. Diese mächtigen und heftigen Ereignisse werden als „Gezeitenstörungen“ oder „TDEs“ bezeichnet.

Eine Illustration einer Gezeitenstörung, bei der ein supermassereiches Schwarzes Loch einen Stern verschlingt (Bildnachweis: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF)

Mikroquasare unterscheiden sich von TDEs dadurch, dass die beteiligten Sterne nicht so schnell zerstört werden, sondern diese kleineren Schwarzen Löcher es vorziehen, an ihrem Opferstern zu knabbern. Es ist jedoch nicht die Masse des Schwarzen Lochs, die für den Genuss dieser stellaren Mahlzeit verantwortlich ist.

„Ein Mikroquasar befindet sich in einer stabilen Umlaufbahn, in der das Schwarze Loch dem Stern nur sehr langsam Masse entzieht“, sagte Olivera-Nieto. „Das bedeutet, dass es den Stern nicht durch seine Gezeiten zerstört und dies auch während seiner Entwicklung nicht tun wird.“

Mikroquasareals kosmische Teilchenbeschleuniger

Diese neue Forschung zeigt, dass Mikroquasare trotz der winzigen Größe ihrer Schwarzloch-Motoren (im Vergleich zu supermassiven Schwarzen Löchern) und ihrer langsamen Annäherung an das Auffressen von Sternen einen beeindruckenden kosmischen Einfluss haben können und zu mächtigen natürlichen Teilchenbeschleunigern werden.

„Bei einem Mikroquasar handelt es sich um einen Stern, der langsam von einem Schwarzen Loch verschluckt wird“, so Martí-Devesa. „Infolgedessen kann das Schwarze Loch starke relativistische Jets erzeugen, was wirklich das charakteristische Merkmal eines Mikroquasars ist.“

Diese Ausströmungen sind die stärksten astrophysikalischen Jets, die in unserer Galaxie zu finden sind, und damit hervorragende kosmische Teilchenbeschleuniger. Es stellt sich die Frage, wie viel der kosmischen Strahlung in der Milchstraße von Mikroquasaren stammt, insbesondere von solchen mit sehr massearmen Schwarzen Löchern?

Um diese Frage zu beantworten, griffen Olivera-Nieto und Martí-Devesa auf Daten aus 16 Jahren zurück, die von der NASA-Raumsonde Fermi mit ihrem Large Area Telescope (LAT)-Detektor gesammelt wurden.

Sie fanden ein Gammastrahlensignal, das mit dem Mikroquasar GRS 1915+105, auch bekannt als „V1487 Aquilae“, in Verbindung steht, was eine große Überraschung war.

Der Mikroquasar GRS 1915+105, der vom Chandra-Röntgenobservatorium im Röntgenlicht gesehen wurde. (Bildnachweis: Chandra)

Der Grund für diese Überraschung ist, dass GRS 1915+105 ein massearmer Doppelstern ist, der aus einem schwarzen Loch mit 14 Sonnenmassen besteht, das langsam einen Stern mit etwa der halben Sonnenmasse verschlingt. Dies steht in krassem Gegensatz zu bisher bekannten teilchenbeschleunigenden Mikroquasaren, die nur massereiche Sterne beherbergten. Der Mikroquasar SS 433 zum Beispiel beherbergt ein Schwarzes Loch, das einen Stern mit der zehnfachen Sonnenmasse verschlingt.

„Das Besondere an diesem System ist, dass es ziemlich häufig vorkommt“, sagte Olivera-Nieto. „Die Anzahl der Sterne in der Galaxie nimmt mit zunehmender Masse steil ab: Sterne mit geringer Masse sind viel häufiger als Sterne mit hoher Masse. Das bedeutet, dass die Feststellung, dass sogar ein System mit einem Schwarzen Loch, das langsam einen so kleinen Stern verschlingt, Teilchen so stark beschleunigen kann, dass Gammastrahlen entstehen, bedeutet, dass der Beitrag von Mikroquasaren zum kosmischen Strahlungsgehalt unserer Galaxie insgesamt höher sein könnte als von den Wissenschaftlern erwartet.

Eine künstlerische Darstellung des Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) in der Umlaufbahn. (Bildnachweis: NASA)

„Es sind noch viel mehr Mikroquasare bekannt, bei denen es keine Anzeichen für Gammastrahlenemission gibt, was bedeutet, dass es keine Anzeichen für eine Teilchenbeschleunigung auf hohe Energien gibt“, sagte Olivera-Nieto. „Einige davon sind darauf zurückzuführen, dass wir nicht mit ausreichend empfindlichen Teleskopen gesucht haben, aber andere scheinen einfach keine effizienten Beschleuniger zu sein. „Wir möchten den Unterschied zwischen diesen Systemen verstehen, denn das ist der Schlüssel zum Verständnis, wie viel kosmische Strahlung in den Jets von Mikroquasaren erzeugt wird.“

Mit diesem neuen Beweis, dass Mikroquasare mit massearmen Sternen auch Teilchenbeschleuniger sein können und zu der kosmischen Strahlung beitragen, die auf der Erde ankommt, erklärt Martí-Devesa, dass es vielleicht an der Zeit ist, bereits entdeckte Mikroquasar-Systeme erneut zu untersuchen. „Wir hoffen, dass unsere Studie ein wichtiger Schritt zum Verständnis des tatsächlichen Beitrags von Mikroquasaren zur kosmischen Strahlung in unserer Galaxie sein wird“, so Martí-Devesa abschließend. „Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, die gesamte Population der Mikroquasare und ihre wahre Bedeutung als Erzeuger kosmischer Strahlung in unserer Galaxie neu zu bewerten.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Januar in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.