Ein Team von Physikern entwickelt ein Modell, das die überraschende Umlaufbahn eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch abbildet

Hunderte Millionen Lichtjahre entfernt in einer fernen Galaxie wird ein Stern, der ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist, unter der immensen Anziehungskraft des Schwarzen Lochs heftig auseinandergerissen. Wenn der Stern zerfetzt wird, verwandeln sich seine Überreste in einen Trümmerstrom, der zurück auf das Schwarze Loch regnet, um eine sehr heiße, sehr helle Materialscheibe zu bilden, die um das Schwarze Loch wirbelt, eine sogenannte Akkretionsscheibe. Dieses Phänomen – bei dem ein Stern von einem supermassiven Schwarzen Loch zerstört wird und eine leuchtende Akkretionseruption anheizt – ist als Tidal Disruption Event (TDE) bekannt, und es wird vorhergesagt, dass TDEs etwa alle 10.000 bis 100.000 Jahre in einer bestimmten Galaxie auftreten.

Mit einer Leuchtkraft, die ganze Galaxien übertrifft (d. h. Milliarden Mal heller als unsere Sonne) für kurze Zeiträume (Monate bis Jahre), ermöglichen Akkretionsereignisse Astrophysikern, supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) aus kosmologischen Entfernungen zu untersuchen, was ein Fenster in die zentralen Regionen bietet von ansonsten ruhigen – oder schlafenden – Galaxien. Durch die Untersuchung dieser Ereignisse mit starker Schwerkraft, bei denen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie für die Bestimmung des Verhaltens von Materie entscheidend ist, liefern TDEs Informationen über eine der extremsten Umgebungen im Universum: den Ereignishorizont – den Punkt ohne Wiederkehr – eines Schwarzen Lochs .

TDEs sind normalerweise „einmalig“, weil das extreme Gravitationsfeld des SMBH den Stern zerstört, was bedeutet, dass der SMBH nach der Akkretionseruption wieder in Dunkelheit übergeht. In einigen Fällen kann der hochdichte Kern des Sterns jedoch die gravitative Wechselwirkung mit dem SMBH überleben, sodass er das Schwarze Loch mehr als einmal umkreisen kann. Forscher nennen dies eine sich wiederholende partielle TDE.

Ein Team von Physikern, darunter Hauptautor Thomas Wevers, Fellow der Europäischen Südsternwarte, und Co-Autoren Eric Coughlin, Assistenzprofessor für Physik an der Syracuse University, und Dheeraj R. „DJ“ Pasham, Forschungswissenschaftler am Kavli Institute for Astrophysics des MIT und Space Research haben ein Modell für eine sich wiederholende partielle TDE vorgeschlagen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe, Beschreiben Sie das Einfangen des Sterns durch ein SMBH, das Abstreifen des Materials jedes Mal, wenn sich der Stern dem Schwarzen Loch nähert, und die Verzögerung zwischen dem Abstreifen des Materials und der erneuten Versorgung des Schwarzen Lochs. Die Arbeit des Teams ist die erste, die ein detailliertes Modell einer sich wiederholenden partiellen TDE entwickelt und verwendet, um die Beobachtungen zu erklären, Vorhersagen über die Bahneigenschaften eines Sterns in einer fernen Galaxie zu treffen und den Prozess der partiellen Gezeitenstörung zu verstehen.

Das Team untersucht ein TDE namens AT2018fyk (AT steht für Astrophysical Transient). Der Stern wurde von einem SMBH durch einen als „Hills Capture“ bekannten Austauschprozess eingefangen, bei dem der Stern ursprünglich Teil eines binären Systems war (zwei Sterne, die sich unter ihrer gegenseitigen Anziehungskraft umkreisen), das durch das Gravitationsfeld auseinandergerissen wurde das schwarze Loch. Der andere (nicht eingefangene) Stern wurde aus dem Zentrum der Galaxie mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 km/s geschleudert, was als Hypergeschwindigkeitsstern bekannt ist.

Einmal an das SMBH gebunden, wurde der Stern, der die Emission von AT2018fyk antreibt, jedes Mal, wenn er den Punkt der engsten Annäherung an das Schwarze Loch passiert, wiederholt seiner äußeren Hülle beraubt. Die abgestreiften äußeren Schichten des Sterns bilden die helle Akkretionsscheibe, die Forscher mit Röntgen- und Ultraviolett-/optischen Teleskopen untersuchen können, die Licht von fernen Galaxien beobachten.

Laut Wevers gibt die Möglichkeit, eine partielle TDE zu untersuchen, beispiellose Einblicke in die Existenz supermassiver Schwarzer Löcher und die Orbitaldynamik von Sternen in den Zentren von Galaxien.

„Bisher ging man davon aus, dass, wenn wir die Nachwirkungen einer nahen Begegnung zwischen einem Stern und einem supermassiven Schwarzen Loch sehen, das Ergebnis für den Stern tödlich sein wird, das heißt, der Stern wird vollständig zerstört“, sagt er. „Aber im Gegensatz zu allen anderen TDEs, die wir kennen, stellten wir, als wir unsere Teleskope einige Jahre später wieder auf denselben Ort richteten, fest, dass es wieder aufgehellt war überlebte die anfängliche Begegnung und kehrte an denselben Ort zurück, um noch einmal von Material befreit zu werden, was die Wiedererhellungsphase erklärt.“

Leben, um an einem anderen Tag zu sterben

Erstmals im Jahr 2018 entdeckt, wurde AT2018fyk zunächst als gewöhnliches TDE wahrgenommen. Etwa 600 Tage lang blieb die Quelle im Röntgenbild hell, wurde dann aber plötzlich dunkel und war nicht mehr nachweisbar – ein Ergebnis der Rückkehr des Sternrestkerns zu einem Schwarzen Loch, erklärt MIT-Physiker Dheeraj R. Pasham.

„Wenn der Kern zum Schwarzen Loch zurückkehrt, stiehlt er im Wesentlichen das gesamte Gas durch die Schwerkraft aus dem Schwarzen Loch, und als Ergebnis gibt es keine Materie, die sich ansammeln kann, und daher wird das System dunkel“, sagt Pasham.

Es war nicht sofort klar, was den steilen Rückgang der Leuchtkraft von AT2018fyk verursachte, da TDEs normalerweise sanft und allmählich – nicht abrupt – in ihrer Emission abfallen. Doch rund 600 Tage nach dem Einsturz stellte sich heraus, dass die Quelle erneut röntgenhell war. Dies veranlasste die Forscher zu der Annahme, dass der Stern seine erste enge Begegnung mit dem SMBH überlebte und sich im Orbit um das Schwarze Loch befand.

Unter Verwendung einer detaillierten Modellierung deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass die Umlaufzeit des Sterns um das Schwarze Loch etwa 1.200 Tage beträgt und es etwa 600 Tage dauert, bis das Material, das vom Stern abgestoßen wird, zum Schwarzen Loch zurückkehrt und mit der Akkretion beginnt. Ihr Modell beschränkte auch die Größe des eingefangenen Sterns, von dem sie glauben, dass er etwa so groß wie die Sonne war. Was die ursprüngliche Binärdatei betrifft, glaubt das Team, dass die beiden Sterne extrem nahe beieinander waren, bevor sie von dem Schwarzen Loch auseinandergerissen wurden, das sich wahrscheinlich alle paar Tage umkreist.

Wie also konnte ein Stern seinen Tod überleben? Es läuft alles auf eine Frage der Nähe und Flugbahn hinaus. Wenn der Stern frontal mit dem Schwarzen Loch kollidieren und den Ereignishorizont überschreiten würde – die Schwelle, an der die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um dem Schwarzen Loch zu entkommen, die Lichtgeschwindigkeit übersteigt –, würde der Stern vom Schwarzen Loch verschlungen. Wenn der Stern sehr nahe am Schwarzen Loch vorbeifliegt und den sogenannten „Gezeitenradius“ überquert – wo die Gezeitenkraft des Lochs stärker ist als die Gravitationskraft, die den Stern zusammenhält – würde er zerstört werden. In dem von ihnen vorgeschlagenen Modell erreicht die Umlaufbahn des Sterns einen Punkt der engsten Annäherung, der knapp außerhalb des Gezeitenradius liegt, ihn aber nicht vollständig kreuzt: Ein Teil des Materials an der Sternoberfläche wird vom Schwarzen Loch abgestreift, aber das Material in seiner Mitte bleibt intakt.

Eine wiederholte Aufführung?

Wie oder ob der Prozess des Sterns, der den SMBH umkreist, über viele wiederholte Passagen hinweg ablaufen kann, ist eine theoretische Frage, die das Team mit zukünftigen Simulationen untersuchen will. Der Physiker Eric Coughlin aus Syrakus erklärt, dass sie schätzen, dass zwischen 1 und 10 % der Masse des Sterns jedes Mal verloren gehen, wenn er das Schwarze Loch passiert, wobei die große Reichweite auf die Unsicherheit bei der Modellierung der Emission des TDE zurückzuführen ist.

„Wenn der Massenverlust nur auf dem Niveau von 1 % liegt, dann erwarten wir, dass der Stern noch viele weitere Begegnungen überleben wird, während er bei näher an 10 % möglicherweise bereits zerstört wurde“, bemerkt Coughlin.

Die Zukunft der TDE-Forschung

Das Team wird in den kommenden Jahren den Blick gen Himmel richten, um seine Vorhersagen zu testen. Basierend auf ihrem Modell prognostizieren sie, dass die Quelle etwa im März 2023 abrupt verschwinden und sich wieder aufhellen wird, wenn sich das frisch abgestreifte Material im Jahr 2025 auf dem Schwarzen Loch anlagert.

Das Team sagt, dass ihre Studie einen neuen Weg für die Verfolgung und Überwachung von Folgequellen bietet, die in der Vergangenheit entdeckt wurden. Die Arbeit schlägt auch ein neues Paradigma für die Entstehung sich wiederholender Eruptionen aus den Zentren externer Galaxien vor.

„In Zukunft werden wahrscheinlich mehr Systeme auf spätzeitliche Eruptionen überprüft, insbesondere jetzt, da dieses Projekt ein theoretisches Bild des Einfangens des Sterns durch einen dynamischen Austauschprozess und die daraus resultierende wiederholte partielle Gezeitenstörung liefert.“ sagt Coughlin. „Wir hoffen, dass dieses Modell verwendet werden kann, um die Eigenschaften entfernter supermassiver Schwarzer Löcher abzuleiten und ein Verständnis ihrer „Demographie“ zu erlangen, d. h. der Anzahl der Schwarzen Löcher innerhalb eines bestimmten Massenbereichs, was sonst nur schwer direkt zu erreichen ist.“

Das Team sagt, dass das Modell auch mehrere überprüfbare Vorhersagen über den Gezeitenstörungsprozess macht, und mit mehr Beobachtungen von Systemen wie AT2018fyk sollte es einen Einblick in die Physik von partiellen Gezeitenstörungsereignissen und die extremen Umgebungen um supermassereiche Schwarze Löcher geben.

„Diese Studie skizziert Methoden, um möglicherweise die nächsten Snackzeiten von supermassereichen Schwarzen Löchern in externen Galaxien vorherzusagen“, sagt Pasham. „Wenn Sie darüber nachdenken, ist es ziemlich bemerkenswert, dass wir auf der Erde unsere Teleskope auf Schwarze Löcher ausrichten können, die Millionen von Lichtjahren entfernt sind, um zu verstehen, wie sie sich ernähren und wachsen.“