Das ultimative Schicksal eines Sterns, der von einem schwarzen Loch zerfetzt wurde

Im Jahr 2019 beobachteten Astronomen das bisher nächstgelegene Beispiel eines Sterns, der zerfetzt oder „spaghettifiziert“ wurde, nachdem er sich einem massiven Schwarzen Loch zu nahe genähert hatte.

Diese Gezeitenstörung eines sonnenähnlichen Sterns durch ein Schwarzes Loch, das 1 Million Mal massereicher ist als er selbst, fand 215 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt statt. Glücklicherweise war dies das erste derartige Ereignis, das hell genug war, dass Astronomen der University of California, Berkeley, das optische Licht des Sterntodes untersuchen konnten, insbesondere die Polarisation des Lichts, um mehr darüber zu erfahren, was passiert ist, nachdem der Stern auseinandergerissen wurde.

Ihre Beobachtungen vom 8. Oktober 2019 deuten darauf hin, dass ein Großteil des Sternmaterials mit hoher Geschwindigkeit – bis zu 10.000 Kilometern pro Sekunde – weggeblasen wurde und eine kugelförmige Gaswolke bildete, die den größten Teil der hochenergetischen Emissionen blockierte, die dabei erzeugt wurden Schwarzes Loch verschlang den Rest des Sterns.

Zuvor zeigten andere Beobachtungen des optischen Lichts der Explosion namens AT2019qiz, dass ein Großteil der Materie des Sterns in einem starken Wind nach außen geschleudert wurde. Aber die neuen Daten zur Polarisation des Lichts, die bei sichtbaren oder optischen Wellenlängen im Wesentlichen Null war, als das Ereignis am hellsten war, sagen den Astronomen, dass die Wolke wahrscheinlich kugelsymmetrisch war.

„Dies ist das erste Mal, dass irgendjemand die Form der Gaswolke um einen durch Gezeiten verursachten Stern abgeleitet hat“, sagte Alex Filippenko, Professor für Astronomie an der UC Berkeley und Mitglied des Forschungsteams.

Die Ergebnisse unterstützen eine Antwort darauf, warum Astronomen von vielen der Dutzenden von Gezeitenstörungen, die bisher beobachtet wurden, keine hochenergetische Strahlung wie Röntgenstrahlen sehen: Die Röntgenstrahlen, die von Material erzeugt werden, das vom Stern abgerissen wurde und in eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch gezogen werden, bevor sie nach innen fallen, werden durch das Gas verdeckt, das von starken Winden aus dem Schwarzen Loch nach außen geblasen wird.

„Diese Beobachtung schließt eine Klasse von Lösungen aus, die theoretisch vorgeschlagen wurden, und gibt uns eine stärkere Einschränkung dessen, was mit Gas um ein Schwarzes Loch herum passiert“, sagte Kishore Patra, Doktorand an der UC Berkeley, Hauptautor der Studie. „Die Leute haben andere Beweise dafür gesehen, dass Wind aus diesen Ereignissen kommt, und ich denke, diese Polarisationsstudie verstärkt diesen Beweis definitiv, in dem Sinne, dass man ohne eine ausreichende Menge Wind keine sphärische Geometrie erhalten würde. Die interessante Tatsache Hier ist, dass ein erheblicher Teil des Materials im Stern, das sich spiralförmig nach innen bewegt, schließlich nicht in das Schwarze Loch fällt – es wird vom Schwarzen Loch weggeblasen.

Polarisation offenbart Symmetrie

Viele Theoretiker haben die Hypothese aufgestellt, dass die stellaren Trümmer nach der Störung eine exzentrische, asymmetrische Scheibe bilden, aber es wird erwartet, dass eine exzentrische Scheibe einen relativ hohen Polarisationsgrad aufweist, was bedeuten würde, dass vielleicht mehrere Prozent des gesamten Lichts polarisiert sind. Dies wurde bei diesem Gezeitenstörungsereignis nicht beobachtet.

„Eines der verrücktesten Dinge, die ein supermassives Schwarzes Loch tun kann, ist, einen Stern durch seine enormen Gezeitenkräfte zu zerfetzen“, sagte Teammitglied Wenbin Lu, Assistenzprofessor für Astronomie an der UC Berkeley. „Diese stellaren Gezeitenstörungen sind eine der wenigen Möglichkeiten, wie Astronomen die Existenz supermassiver Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien erkennen und ihre Eigenschaften messen können. Aufgrund des extremen Rechenaufwands bei der numerischen Simulation solcher Ereignisse verstehen Astronomen dies jedoch immer noch nicht komplizierte Prozesse nach einer Gezeitenstörung.“

Eine zweite Reihe von Beobachtungen am 6. November, 29 Tage nach der Oktober-Beobachtung, ergab, dass das Licht sehr leicht polarisiert war, etwa 1 %, was darauf hindeutet, dass die Wolke ausreichend dünner geworden war, um die asymmetrische Gasstruktur um das Schwarze Loch herum sichtbar zu machen. Beide Beobachtungen stammen vom 3-Meter-Shane-Teleskop am Lick-Observatorium in der Nähe von San Jose, Kalifornien, das mit dem Kast-Spektrographen ausgestattet ist, einem Instrument, das die Polarisation von Licht über das gesamte optische Spektrum bestimmen kann. Das Licht wird polarisiert – sein elektrisches Feld schwingt hauptsächlich in einer Richtung – wenn es Elektronen in der Gaswolke streut.

„Die Akkretionsscheibe selbst ist heiß genug, um den größten Teil ihres Lichts in Röntgenstrahlen zu emittieren, aber dieses Licht muss durch diese Wolke kommen, und es gibt viele Streuungen, Absorptionen und Reemissionen von Licht, bevor es aus dieser Wolke entweichen kann.“ sagte Patra. „Bei jedem dieser Prozesse verliert das Licht einen Teil seiner Photonenenergie bis hinunter zu ultravioletten und optischen Energien. Die endgültige Streuung bestimmt dann den Polarisationszustand des Photons. Aus der Messung der Polarisation können wir also die Geometrie ableiten der Oberfläche, wo die endgültige Streuung stattfindet.“

Patra merkte an, dass dieses Todesbett-Szenario möglicherweise nur für normale Gezeitenstörungen gilt – nicht für „seltsame Kugeln“, bei denen relativistische Materialstrahlen aus den Polen des Schwarzen Lochs ausgestoßen werden. Nur mehr Messungen der Polarisation des Lichts dieser Ereignisse werden diese Frage beantworten.

„Polarisationsstudien sind sehr herausfordernd, und nur sehr wenige Menschen auf der ganzen Welt sind mit der Technik vertraut genug, um sie zu nutzen“, sagte er. „Das ist also Neuland für Gezeitenstörungen.“

Der Forscher Thomas Brink von Patra, Filippenko, Lu und UC Berkeley, der Doktorand Sergiy Vasylyev und der Postdoktorand Yi Yang berichteten über ihre Beobachtungen in einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen wurde Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Eine Wolke, die 100-mal größer ist als die Erdumlaufbahn

Die Forscher der UC Berkeley berechneten, dass das polarisierte Licht von der Oberfläche einer kugelförmigen Wolke mit einem Radius von etwa 100 astronomischen Einheiten (au) emittiert wurde, die 100-mal weiter vom Stern entfernt ist als die Erde von der Sonne. Ein optisches Leuchten von heißem Gas ging von einer Region bei etwa 30 AE aus.

Die spektropolarimetrischen Beobachtungen von 2019 – eine Technik, die die Polarisation über viele Lichtwellenlängen hinweg misst – betrafen AT2019qiz, ein Gezeitenstörungsereignis, das sich in einer Spiralgalaxie im Sternbild Eridanus befindet. Die Nullpolarisation des gesamten Spektrums im Oktober weist auf eine kugelsymmetrische Gaswolke hin – alle polarisierten Photonen gleichen sich gegenseitig aus. Die leichte Polarisierung der November-Messungen weist auf eine kleine Asymmetrie hin. Da diese Gezeitenstörungen so weit entfernt in den Zentren entfernter Galaxien auftreten, erscheinen sie nur als Lichtpunkt, und die Polarisation ist einer der wenigen Hinweise auf die Form von Objekten.

„Diese Störungsereignisse sind so weit entfernt, dass man sie nicht wirklich auflösen kann, also kann man die Geometrie des Ereignisses oder die Struktur dieser Explosionen nicht untersuchen“, sagte Filippenko. „Aber die Untersuchung von polarisiertem Licht hilft uns tatsächlich, einige Informationen über die Verteilung der Materie in dieser Explosion abzuleiten oder in diesem Fall, wie das Gas – und möglicherweise die Akkretionsscheibe – um dieses Schwarze Loch herum geformt ist.“