Eine künstlerische Darstellung von VFTS 243, der einen massereichen Stern und ein schwarzes Loch enthält (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
Wissenschaftler haben eindeutige Beweise dafür entdeckt, dass einige massereiche Sterne ihre Existenz mit einem Wimmern und nicht mit einem Knall beenden und ohne das Licht und die Wut einer Supernova in einem selbst geschaffenen Schwarzen Loch versinken.
Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, müssen wir mit einem Crashkurs über die Sternentwicklung beginnen. Sterne erzeugen Energie durch Kernfusionsprozesse in ihren Kernen, durch die sie Wasserstoff in Helium umwandeln. Wenn bei Sternen mit einer Masse, die mindestens achtmal so groß ist wie die unserer Sonne, der Wasserstoffvorrat zur Neige geht, beginnen sie stattdessen mit Fusionsreaktionen, an denen andere Elemente beteiligt sind – Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff usw., bis sie schließlich einen trägen Eisenkern haben, der mehr Energie für die Fusionsreaktion benötigt, als er erzeugen kann. In diesem Stadium hören die Fusionsreaktionen auf, und die Energieproduktion, die den Stern am Leben erhält, verpufft. Plötzlich hat die Schwerkraft freie Hand und lässt den Kern kollabieren, während die äußeren Schichten des Sterns vom schrumpfenden Kern abprallen und nach außen explodieren – und eine Supernova entfachen, die einige Wochen lang heller leuchten kann als eine ganze Galaxie.
In der Zwischenzeit bildet der kollabierende Kern ein kompaktes Objekt. Bei diesem Objekt handelt es sich häufig um einen rotierenden Neutronenstern, der als Pulsar bezeichnet wird – unter bestimmten Bedingungen könnte es sich aber auch um ein schwarzes Loch mit stellarer Masse handeln. Dies ist die Standardgeschichte der stellaren Zeitlinien. Allerdings beginnen die Astronomen nun, sich mit der Idee anzufreunden, dass einige Sterne, die schwarze Löcher erzeugen, dies ohne eine Supernovaexplosion tun können.
Forscher haben gelegentlich gescheiterte Supernovae beobachtet – Sterne, die aufleuchten, als ob sie kurz vor der Explosion stünden, dann aber schwächer werden und erlöschen. Andernorts wurden bei der Untersuchung alter Fotoplatten im Rahmen des VASCO-Projekts (Vanishing And Appearing Objects During a Century of Observations) unter der Leitung von Beatriz Villarroel Dutzende von Sternen auf diesen alten Platten gefunden, die einfach nicht mehr zu sehen sind; es ist, als wären sie spurlos verschwunden.
Könnten diese fehlgeschlagenen Supernovae und verschwindenden Sterne ein Beweis dafür sein, dass Sterne fast vollständig in das Schwarze Loch, das sie bilden, hineingezogen werden, bevor sie eine Chance zur Explosion bekommen? Nun, vielleicht, glauben einige Wissenschaftler.
„Wenn man auf einen sichtbaren Stern blickt, der einen totalen Kollaps durchläuft, könnte es genau zum richtigen Zeitpunkt so sein, als würde man beobachten, wie ein Stern plötzlich erlischt und vom Himmel verschwindet“, sagte Alejandro Vigna-Gómez vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland in einer Erklärung. „Astronomen haben in letzter Zeit tatsächlich das plötzliche Verschwinden von hell leuchtenden Sternen beobachtet.“
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Obwohl es sich bei dieser Idee immer noch um eine Theorie handelt, gibt es jetzt starke Beweise in Form eines seltsamen Doppelsternsystems, das von Vigna-Gómez und seinem Team untersucht wurde. Das System mit der Bezeichnung VFTS 243 wurde im Jahr 2022 entdeckt und befindet sich im Tarantelnebel in der Großen Magellanschen Wolke. Es enthält einen Stern mit einer Masse von 25 Solaren und ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 Solaren, das von einem massereichen Stern erzeugt worden sein muss, der erst vor relativ kurzer Zeit das Ende seines Lebens erreicht hat, gemessen am kosmischen Maßstab.
„VFTS 243 ist ein außergewöhnliches System“, sagte Vigna-Gómez. „Obwohl VFTS 243 einen Stern enthält, der zu einem Schwarzen Loch kollabiert ist, sind nirgends Spuren einer Explosion zu finden.“
Die Umlaufbahnen des Sterns und des Schwarzen Lochs in VFTS 243 um ihr gemeinsames Massenzentrum sind zum Beispiel immer noch nahezu kreisförmig. Supernova-Explosionen sind jedoch asymmetrisch, wobei in einer Richtung etwas mehr Energie erzeugt wird als in der anderen, was dem entstehenden kompakten Objekt einen „Geburtskick“ geben sollte. Ein solcher Kick würde das kompakte Objekt beschleunigen, so dass sich seine Umlaufbahn verbreitert und länglicher wird. Normalerweise beträgt dieser Stoß zwischen 30 und 100 Kilometern pro Sekunde, doch das Schwarze Loch in VFTS 243 wurde höchstens um vier Kilometer pro Sekunde beschleunigt.
Die Folgen von Geburtskicks wurden schon früher bei Pulsaren beobachtet, aber noch nie bei Schwarzen Löchern mit stellarer Masse. Es ist sehr gut möglich, dass dies etwas darüber aussagt, wie Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, und VFTS 243 ist der bisher deutlichste Blick auf die Ergebnisse dieses Prozesses.
Natal-Kicks sind das Ergebnis von drei Dingen: dem Auswurf von Trümmern des explodierenden Sterns, einem Ausbruch von Neutrinos aus dem kollabierenden Kern des Sterns und Gravitationswellen. Wenn es jedoch keine Supernova gäbe, gäbe es auch keine Trümmer, so dass nur die Neutrinos und die Gravitationswellen für einen viel geringeren Kick sorgen würden – und genau das sehen wir in VFTS 243.
Wenn das stimmt, bedeutet das, dass viele der massereichsten Sterne im Universum, die so hell leuchten, ihr Leben in stiller Dunkelheit beenden, wenn sie in die Vergessenheit eines schwarzen Lochs gezogen werden. Dies könnte auch das endgültige Schicksal des überlebenden Sterns in VFTS 243 sein, wenn er das Ende seines Lebens erreicht.
Es gibt auch weiterreichende Auswirkungen. Eine Supernova-Explosion ist eine Elementefabrik. Es werden nicht nur Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff aus den äußeren Schichten eines sterbenden Sterns in den Weltraum geschleudert, wo sie in der nächsten Generation von Sternen und Planeten wiederverwertet werden können, sondern die intensive Hitze und Energie der Supernova-Schockwelle kann zur Bildung von noch schwereren Elementen in den Supernova-Trümmern führen. Einer der Gründe, warum Supernovas so lange hell leuchten, ist beispielsweise, dass der radioaktive Zerfall von Nickelisotopen, die bei der Explosion entstehen, zur Bildung von Kobalt und Eisen führt.
Wenn jedoch einige massereiche Sterne ohne Supernovaexplosionen vollständig zu schwarzen Löchern kollabieren, können sie nicht zur Entstehung und zum Recycling von Elementen beitragen. Die Kosmochemiker müssen daher dieses Konzept, falls es tatsächlich zutrifft, in ihre Modelle zur Bildung und Verbreitung von Elementen im Weltraum einbeziehen. Erst dann können sie beginnen, die chemische Entwicklung von Galaxien, einschließlich unserer eigenen, vollständig zu verstehen, und wie schnell sich die notwendigen Elemente ansammeln können, um Planeten wie die Erde zu bilden, vielleicht sogar mit eigenem Leben aus Elementen, die von explodierenden Sternen erzeugt wurden.
Die Ergebnisse von VFTS 243 wurden am 9. Mai in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
