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Astronomie+Physik

Tod eines Sterns am Schwarzen Loch

Sternentod
So könnte der vom zerrissenen Stern herrührende Materiejet aussehen (Grafik: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; NASA, STScI)

Der plötzliche Ausbruch intensiver Strahlung aus einer fernen Galaxie hat Astronomen auf die Spur einer kosmischen Katastrophe geführt: auf den Tod eines Sterns in einem supermassereichen Schwarzen Loch. Dabei wurde Strahlung freigesetzt, gleichzeitig schoss ein Großteil der Sternenmasse als extrem schneller Materie-Jet ins All hinaus. Mithilfe eines Netzwerks von Radioteleskopen ist es den Forschern jetzt erstmals gelungen, die Bildung dieses Jets bei einem solchen „Tidal Disruption Event“ direkt zu beobachten. Die Abläufe liefern ihnen wertvolle Erkenntnisse zum Verhalten Schwarzer Löcher und der von ihnen verschlungenen Materie.

Im Herzen der Milchstraße und anderer Galaxien liegen gigantische Schwarze Löcher, die mehrere Millionen bis Milliarden Sonnenmassen in sich vereinen. Ihre enorme Schwerkraft beeinflusst das Verhalten vieler Sterne und Gaswolken in den galaktischen Zentren. Die meisten dieser zentralen Schwarzen Löcher sind allerdings eher inaktiv und senden kaum Strahlung aus. Das aber kann sich schnell ändern, wenn ein Stern oder ein anderes Objekt dem Schwarzen Loch zu nahekommt. Schon vor rund 30 Jahren sagten Astronomen voraus, dass der Stern dann angezogen und von den ungeheuren Gezeitenkräften des Schwarzen Lochs zerfetzt werden würde. Übrig bleibt eine rotierende Scheibe aus Sternenmaterial, von der große Mengen Strahlung und extrem stark beschleunigte Materiejets ausgehen.

Strahlenschub aus ferner Galaxie

Doch obwohl solche sogenannten Tidal Disruption Event (TDE) rein theoretisch im Kosmos häufiger vorkommen müssten, ist es Astronomen bisher nur selten gelungen, sie nachzuweisen. „Die Bildung und Entwicklung eines Jets bei einem solchen Ereignis haben wir nie zuvor direkt beobachten können“, sagt Co-Autor Miguel Perez-Torres vom Astrophysikalischen Institut Andalusiens in Granada. Jetzt ist den Astronomen ein kosmischer Zufall zu Hilfe gekommen. Denn eigentlich suchten sie in einem Cluster verschmelzender Galaxien – Arp 299 genannt – nach neuen Supernovae. Tatsächlich entdeckten sie am 30. Januar 2005 einen hellen Puls starker Infrarotstrahlung aus dem Herzen einer dieser rund 150 Millionen Lichtjahre von uns entfernten Galaxien. Wenig später registrierten auch die Radioteleskope des Very Long Baseline Array (VLBA) eine verstärkte Radiowellen-Emission von dieser Stelle.

Was aber war der Auslöser? Theoretisch könnte die Strahlung sowohl von einer Supernova oder einem Gammastrahlen-Ausbruch als auch von dem Kollaps eines Sterns am Schwarzen Loch ausgehen. Bei Letzterem müsste aber eigentlich auch Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen entstehen und zu detektieren sein – doch das war nicht der Fall. „Als die Zeit verging, blieb das neue Objekt sowohl im Infrarot- als auch in Radiobereich hell, Röntgen und sichtbares Licht aber fehlten“, berichtet Erstautor Seppo Mattila von der Universität Turku. Um der Sache auf den Grund zu gehen, behielten die Astronomen das rätselhafte Geschehen über die Jahre hinweg weiter im Auge und schalteten neben dem VLBA auch die Radioteleskope des europäischen Radioteleskop-Netzwerks EVN hinzu.

Radiowellen verraten Materie-Jet

Dann endlich, im Jahr 2011, tat sich etwas im Herzen von Arp 299: „Die ursprünglich nicht weiter aufgelöste Radioquelle entwickelte eine auffällige, Jet-ähnliche Struktur“, berichten die Forscher. Aus dem zunächst eher punktförmigen Ursprung der Radiowellen wuchs ein längliches, intensiv strahlendes Gebilde in eine Richtung heraus. Messungen ergaben, dass sich die Spitze dieses Jets zwischen 2005 und 2015 mit rund einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit durch das All bewegte. Für die Astronomen war aufgrund seiner Merkmale klar: Es musste sich um den Jet eines Tidal Disruption Events handeln. „Unsere Beobachtungen zeigen den sich ausdehnenden Radiojet eines TDEs – ganz im Einklang mit den theoretischen Erwartungen“, so Mattila und seine Kollegen. Demnach muss das zentrale Schwarze Loch dieser Galaxie einen Stern von etwa der doppelten Sonnenmasse zerrissen und einen Großteil seines Materials in einem hoch beschleunigten Teilchenstrahl und einem gewaltigen Ausbruch von Strahlung ins All katapultiert haben.

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Die parallel zu den Radiowellen gemessene Infrarotstrahlung lieferte den Astronomen auch Hinweise darauf, warum die sonst bei solchen Ereignissen typische Röntgen- UV- und optische Strahlung ausblieb: „Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass dichtes interstellares Gas und Staub nahe dem Galaxienzentrum die Röntgenstrahlung und das sichtbare Licht absorbiert haben“, sagt Mattila. Die Energie dieser Strahlung heizte die verhüllenden Wolken auf und ließ diese verstärkt im Infrarotbereich stahlen. Indizien für dieses Szenario sehen die Forscher in der hohen Intensität der Infrarotstrahlung, aber auch im zeitlichen Muster der Radiowellenemissionen. Ihrer Ansicht nach könnten solche Hüllwolken auch erklären, warum man bisher nicht schon häufiger ein solches katastrophales Ende von Sternen an Schwarzen Löchern beobachtet hat.

„Dieses Tidal Disruption Event könnte daher die Spitze eines ganzen Eisbergs einer verborgenen Population solcher Ereignisse sein“, sagt Mattila. „Indem wir künftig gezielt mit Infrarot- und Radioteleskopen nach solchen Ereignissen suchen, könnten wir mehr von ihnen entdecken und von ihnen lernen.“

Quelle: Seppo Mattila (Universität Turku, Finnland) et al., Science, doi: 10.1126/science.aao4669

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