NASA-Teleskope ermitteln den Ernährungsplan eines Schwarzen Lochs

Durch die Nutzung neuer Daten vom Chandra-Röntgenobservatorium und Neil Gehrels Swift-Observatorium der NASA sowie XMM-Newton der ESA hat ein Forscherteam wichtige Fortschritte im Verständnis erzielt, wie und wann ein supermassereiches Schwarzes Loch Materie aufnimmt und anschließend verbraucht.

Ein Papier, das diese Ergebnisse beschreibt erscheint auf der arXiv Preprint-Server und wird veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal. Die Autoren sind Dheeraj Passam (Massachusetts Institute of Technology), Eric Coughlin (Syracuse University), Muryel Guolo (Johns Hopkins University), Thomas Wevers (Space Telescope Science Institute), Chris Nixon (University of Leeds, UK), Jason Hinkle (University of Hawaii at Manoa) und Ananaya Bandopadhyay (Syracuse).

Die künstlerische Darstellung oben zeigt einen Stern, der durch ein solches schwarzes Loch im System AT2018fyk teilweise zerstört wurde. Das supermassive schwarze Loch in AT2018fyk – mit etwa 50 Millionen Mal mehr Masse als die Sonne – befindet sich im Zentrum einer Galaxie, die etwa 860 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Astronomen haben festgestellt, dass sich ein Stern in AT2018fyk auf einer stark elliptischen Umlaufbahn um das Schwarze Loch befindet, so dass sein Punkt, an dem er sich dem Schwarzen Loch am weitesten nähert, viel größer ist als sein Punkt, an dem er ihm am nächsten ist. Während seiner größten Annäherung ziehen die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs etwas Material vom Stern ab, wodurch zwei Gezeitenschweife aus „Sternschutt“ entstehen.

Die Abbildung zeigt einen Punkt in der Umlaufbahn kurz nach der teilweisen Zerstörung des Sterns, wenn sich die Gezeitenschweife noch in unmittelbarer Nähe des Sterns befinden. Später in der Umlaufbahn des Sterns kehrt das zerstörte Material zum Schwarzen Loch zurück und verliert Energie, was zu einem starken Anstieg der Röntgenhelligkeit führt, der später in der Umlaufbahn auftritt (hier nicht gezeigt).

Dieser Prozess wiederholt sich jedes Mal, wenn der Stern zu seinem Punkt der größten Annäherung zurückkehrt, also etwa alle 3,5 Jahre. Die Abbildung zeigt den Stern während seiner zweiten Umlaufbahn und die Scheibe aus Röntgengas um das Schwarze Loch, die als Nebenprodukt der ersten Gezeitenbegegnung entsteht.

Forscher wurden 2018 auf AT2018fyk aufmerksam, als die optische bodengestützte Untersuchung ASAS-SN feststellte, dass das System viel heller geworden war. Nach der Beobachtung mit NICER und Chandra der NASA sowie XMM-Newton stellten die Forscher fest, dass der Helligkeitsanstieg von einem „Tidal Disruption Event“ (TDE) herrührte, das darauf hinweist, dass ein Stern vollständig auseinandergerissen und teilweise verschluckt wurde, nachdem er zu nahe an einem Schwarzen Loch vorbeigeflogen war. Chandra-Daten von AT2018fyk sind im Einschub eines optischen Bilds mit größerem Sichtfeld dargestellt.

Als sich Material des zerstörten Sterns dem Schwarzen Loch näherte, wurde es heißer und erzeugte Röntgen- und Ultraviolettlicht (UV). Diese Signale verblassten dann, was mit der Theorie übereinstimmt, dass vom Stern nichts übrig blieb, was das Schwarze Loch hätte verarbeiten können.

Etwa zwei Jahre später wurde das Röntgen- und UV-Licht der Galaxie jedoch wieder deutlich heller. Laut Astronomen bedeutete dies, dass der Stern wahrscheinlich den anfänglichen Gravitationsgriff des Schwarzen Lochs überlebt hatte und dann in eine stark elliptische Umlaufbahn mit dem Schwarzen Loch eintrat. Bei seiner zweiten Annäherung an das Schwarze Loch wurde mehr Material abgerissen und erzeugte mehr Röntgen- und UV-Licht.

Diese Ergebnisse wurden 2023 in einem Artikel im Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe unter der Leitung von Thomas Wevers vom Weltraumteleskop Wissenschaft Institut in Baltimore.

„Zunächst dachten wir, es handele sich um einen ganz gewöhnlichen Fall, bei dem ein Schwarzes Loch einen Stern völlig auseinanderreißt“, sagte Wevers. „Aber stattdessen scheint der Stern zu leben und an einem anderen Tag zu sterben.“

Auf Grundlage ihrer Erkenntnisse über den Stern und seine Umlaufbahn sagten Wevers und sein Team voraus, dass die zweite Mahlzeit des Schwarzen Lochs im August 2023 enden würde, und beantragten Chandra-Beobachtungszeit, um dies zu überprüfen.

„Das verräterische Zeichen dafür, dass dieser Sternensnack zu Ende geht, wäre ein plötzlicher Abfall der Röntgenstrahlung, und genau das sehen wir in unseren Chandra-Beobachtungen am 14. August 2023“, sagte Dheeraj Pasham vom Massachusetts Institute of Technology, der Leiter der neuen Abhandlung zu diesen Ergebnissen. „Unsere Daten zeigen, dass das Schwarze Loch im August letzten Jahres im Wesentlichen seinen Mund abgewischt und sich vom Tisch weggeschoben hat.“

Die neuen Daten, die Chandra und Swift nach der Fertigstellung der Studie von 2023 erhielten, ermöglichen den Forschern eine noch bessere Schätzung der Zeit, die der Stern für eine vollständige Umlaufbahn benötigt, sowie der zukünftigen Mahlzeiten des Schwarzen Lochs. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass der Stern dem Schwarzen Loch etwa alle dreieinhalb Jahre am nächsten kommt.

„Wir glauben, dass eine dritte Mahlzeit des Schwarzen Lochs, falls noch etwas von dem Stern übrig ist, zwischen Mai und August 2025 beginnen und fast zwei Jahre dauern wird“, sagte Eric Coughlin von der Syracuse University in New York, ein Co-Autor der neuen Studie. „Das wird wahrscheinlich eher ein Snack als eine volle Mahlzeit sein, da die zweite Mahlzeit kleiner war als die erste und der Stern immer weiter abgetragen wird.“

Die Autoren glauben, dass der zum Untergang verurteilte Stern ursprünglich einen anderen Stern als Begleiter hatte, als er sich dem schwarzen Loch näherte. Als das Sternenpaar dem schwarzen Loch jedoch zu nahe kam, zog die Schwerkraft des schwarzen Lochs die beiden Sterne auseinander. Einer gelangte in die Umlaufbahn des schwarzen Lochs, und der andere wurde mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum geschleudert.

„Der zum Untergang verurteilte Stern war gezwungen, seine Begleitsterne drastisch zu wechseln – von einem anderen Stern zu einem riesigen schwarzen Loch“, sagte Co-Autor Muryel Guolo von der Johns Hopkins University in Baltimore. „Sein stellarer Partner entkam, er selbst jedoch nicht.“

Das Team plant, AT2018fyk so lange wie möglich weiter zu beobachten, um das Verhalten eines solch exotischen Systems zu untersuchen.