Es ist bekannt, dass riesige schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße gelegentlich nahegelegene Sterne verschlingen.
Dies führt zu einem dramatischen und komplexen Prozess, da der Stern, der auf das supermassive Schwarze Loch zustürzt, spaghetti und in Stücke gerissen. Das daraus resultierende Feuerwerk wird als Gezeitenstörung bezeichnet.
In einem neue Studie veröffentlicht heute in Die Briefe des Astrophysical Journalhaben wir die bislang detailliertesten Simulationen erstellt, die den Verlauf dieses Prozesses im Laufe eines Jahres darstellen.
Ein schwarzes Loch zerreißt eine Sonne
Der amerikanische Astronom Jack G. Hills und der britische Astronom Martin Rees stellten in den 1970er und 80er Jahren erstmals Theorien zu Gezeitenstörungen auf. Rees‘ Theorie vorhergesagt, dass die Hälfte der Trümmer des Sterns an das Schwarze Loch gebunden bleiben und mit sich selbst kollidieren würde, um einen heißen, leuchtenden Materiewirbel zu bilden, der als AkkretionsscheibeDie Scheibe wäre so heiß, dass sie große Mengen Röntgenstrahlen aussenden müsste.
Doch zur Überraschung aller wurde festgestellt, dass die meisten der mehr als 100 bisher entdeckten möglichen Gezeitenereignisse hauptsächlich im sichtbaren Wellenlängenbereich leuchten und nicht im Röntgenbereich. Die beobachteten Temperaturen in den Trümmern liegen bei lediglich 10.000 Grad Celsius. Das entspricht der Oberfläche eines mäßig warmer Sternnicht die Millionen Grad, die man von heißem Gas um ein supermassives Schwarzes Loch erwartet.
Noch merkwürdiger ist die geschätzte Größe des leuchtenden Materials, das das schwarze Loch umgibt: Es ist mehrere Male größer als unser Sonnensystem und dehnt sich mit einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit schnell vom schwarzen Loch weg aus.
Angesichts der Tatsache, dass selbst ein Schwarzes Loch mit der Masse einer Million Sonnen nur geringfügig größer ist als unsere Sonne, war die aus Beobachtungen abgeleitete enorme Größe der leuchtenden Materiekugel eine völlige Überraschung.
Astrophysiker spekulierten, das Schwarze Loch müsse während der Störung irgendwie von Materie erstickt werden, um das Fehlen von Röntgenemissionen zu erklären. Doch bisher konnte niemand zeigen, wie dies tatsächlich geschieht. Hier kommen unsere Simulationen ins Spiel.
Ein Schlürfen und ein Rülpsen
Schwarze Löcher sind unordentliche Esser – nicht unähnlich einem Fünfjährigen mit einer Schüssel Spaghetti. Ein Stern beginnt als kompakter Körper, wird aber spaghettifiziert: Er wird durch die extremen Gezeiten des Schwarzen Lochs zu einem langen, dünnen Strang gedehnt.
Während die Hälfte der Materie des nun zerfetzten Sterns in Richtung des Schwarzen Lochs geschleudert wird, wird tatsächlich nur 1% davon verschluckt. Der Rest wird schließlich vom Schwarzen Loch weggeblasen in eine Art kosmisches „Rülpsen“.
Die Simulation von Gezeitenströmungen mit einem Computer ist schwierig. Newtons Gravitationsgesetze gelten nicht in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs, daher muss man alle seltsamen und wunderbaren Effekte aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie berücksichtigen.
Aber harte Arbeit ist das, wofür Doktoranden da sind. Unser jüngster Absolvent, David Liptai, entwickelte eine neue Simulationsmethode nach Einsteins Art, die es dem Team ermöglichte, zu experimentieren, indem es ahnungslose Sterne in die allgemeine Richtung des nächsten Schwarzen Lochs schleuderte. Man kann sogar Mach es selbst.
Spaghettifizierung in Aktion, eine Nahaufnahme der Hälfte des Sterns, die zum schwarzen Loch zurückkehrt.
Die daraus resultierenden Simulationen, die in den Videos hier zu sehen sind, sind die ersten, die Gezeitenstörungen vom Schlürfen bis zum Rülpsen zeigen.
Sie verfolgen die Spaghettisierung des Sterns bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Trümmer auf das Schwarze Loch zurückfallen, und dann eine Annäherung, die den Strom in etwas verwandelt, das einem zappelnden Gartenschlauch ähnelt. Die Simulation dauert nach dem ersten Sturz mehr als ein Jahr.
Es dauerte mehr als ein Jahr, um auf einem der die leistungsstärksten Supercomputer in AustralienDie verkleinerte Version sieht folgendermaßen aus:
Verkleinerte Ansicht, die die Trümmer eines Sterns zeigt, der größtenteils nicht in das Schwarze Loch gerät, sondern in einem sich ausdehnenden Ausfluss weggeblasen wird.
Was haben wir herausgefunden?
Zu unserer großen Überraschung stellten wir fest, dass das 1 % Material, das in das Schwarze Loch fällt, so viel Hitze erzeugt, dass es einen extrem starken und nahezu kugelförmigen Ausfluss erzeugt. (Ein bisschen wie damals, als Sie zu viel Curry gegessen haben, und aus dem gleichen Grund.)
Das schwarze Loch kann einfach nicht so viel schluckenalso erstickt das, was es nicht verschlucken kann, den Zentralmotor und wird stetig weggeschleudert.
Wenn man sie so beobachtet, wie sie von unseren Teleskopen aus beobachtet werden, erklären die Simulationen eine Menge. Es stellte sich heraus, dass frühere Forscher hatten recht mit dem ErstickenEs sieht so aus:
Dieselbe Spaghettisierung wie in den anderen Filmen, aber so, wie man sie mit einem optischen Teleskop sehen würde [if we had a good-enough one]. Es sieht aus wie eine brodelnde Blase. Wir haben es den „Eddington-Umschlag“ genannt.
Die neuen Simulationen zeigen, warum Gezeitenkräfte tatsächlich wie ein Stern von der Größe des Sonnensystems aussehen, der sich mit ein paar Prozent der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt und von einem schwarzen Loch in seinem Inneren angetrieben wird. Tatsächlich könnte man es sogar als „schwarzes loch sonne.“
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