Die Bewegung von Sternen in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße ist nur für einige hundert Jahre vorhersehbar

Die Umlaufbahnen von 27 Sternen, die das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße eng umkreisen, sind so chaotisch, dass Forscher nicht mit Sicherheit vorhersagen können, wo sie sich in etwa 462 Jahren befinden werden. Dieses Ergebnis geht aus Simulationen von drei Astronomen aus den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich hervor. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in zwei Artikeln im veröffentlicht Internationale Zeitschrift für moderne Physik D und in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

27 Sterne und ihre Wechselwirkungen untereinander und mit dem Schwarzen Loch zu simulieren, ist leichter gesagt als getan. Beispielsweise war es jahrhundertelang unmöglich, die Bewegungen von mehr als zwei interagierenden Sternen, Planeten, Gesteinen oder anderen Objekten vorherzusagen. Erst 2018 entwickelten Leidener Forscher ein Computerprogramm, bei dem Rundungsfehler bei den Berechnungen keine Rolle mehr spielen. Damit ist es ihnen gelungen Berechnen Sie die Bewegungen von drei imaginären Sternen. Jetzt haben die Forscher ihr Programm auf 27 Sterne ausgeweitet, die sich nach astronomischen Maßstäben in die Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße bewegen.

Die Simulationen der 27 massereichen Sterne und des Schwarzen Lochs brachten eine Überraschung. Obwohl die Sterne auf ihren Umlaufbahnen um das Schwarze Loch bleiben, zeigen die Wechselwirkungen zwischen den Sternen, dass die Umlaufbahnen chaotisch sind. Das bedeutet, dass kleine Störungen, die durch die zugrunde liegenden Wechselwirkungen verursacht werden, die Umlaufbahnen der Sterne verändern. Diese Veränderungen nehmen exponentiell zu und machen die Umlaufbahnen der Sterne auf lange Sicht unvorhersehbar.

Schwarzes Loch löst Schock aus

„Bereits nach 462 Jahren können wir die Umlaufbahnen nicht mit Sicherheit vorhersagen. Das ist erstaunlich kurz“, sagt der Astronom Simon Portegies Zwart (Universität Leiden, Niederlande). Er vergleicht es mit unserem Sonnensystem, das nach 12 Millionen Jahren nicht mehr zuverlässig vorhersehbar ist.

„Die Umgebung des Schwarzen Lochs ist also 30.000 Mal chaotischer als unsere, und das haben wir überhaupt nicht erwartet. Natürlich ist das Sonnensystem etwa 20.000 Mal kleiner, enthält Millionen Mal weniger Masse und hat nur acht.“ relativ leichte Objekte anstelle von 27 massiven, aber wenn Sie mich vorher gefragt hätten, hätte das nicht so viel ausmachen sollen.

Den Forschern zufolge entsteht das Chaos jedes Mal auf ungefähr die gleiche Weise. Es gibt immer zwei oder drei Sterne, die sich einander sehr nahe kommen. Dadurch kommt es zu einem gegenseitigen Schieben und Ziehen zwischen den Sternen. Dies wiederum führt zu leicht unterschiedlichen Sternbahnen. Das Schwarze Loch, um das diese Sterne kreisen, wird dann leicht weggedrängt, was wiederum alle Sterne spüren. Auf diese Weise wirkt sich eine kleine Wechselwirkung zwischen zwei Sternen auf alle 27 Sterne im Zentralhaufen aus.

Vergrößern von Umlaufbahnen

„Wir führen unsere Simulation jedes Mal über 10.000 Jahre durch. Aus der Vogelperspektive scheinen die Sternbahnen mit der Zeit unverändert zu bleiben“, sagt Tjarda Boekholt (eine ehemalige Doktorandin von Portegies Zwart im Jahr 2015 und arbeitet jetzt an der Universität Oxford, Großbritannien). ). „Erst wenn man beginnt, auf einen Abschnitt einer Umlaufbahn zu zoomen, werden chaotische Variationen sichtbar. Diese Variationen können große Werte bis zu vierzig astronomischen Einheiten erreichen, was dem Vierzigfachen der Entfernung der Erde von der Sonne entspricht.“

Die Forscher vergleichen das Chaos am Schwarzen Loch gerne mit dem Radfahren durch eine Stadt. Sie wissen ungefähr, wie lange es dauert, aber wie lange genau, lässt sich nicht vorhersagen. Wenn eine Brücke offen ist oder jemand vor Ihr Fahrrad springt, kann es sein, dass Sie Minuten später ankommen.

„Und so funktioniert es auch mit den Sternen rund um das Schwarze Loch“, sagt Portegies Zwart. „Sie wissen, dass es regelmäßig zu unerwarteten Ereignissen kommt, die eine exponentielle Veränderung verursachen, die wir jetzt messen können. Aber die Implikation ist, dass das Zentrum der Milchstraße mit dem Schwarzen Loch und den 27 Sternen, die es umkreisen, nicht mehr vorhersehbar ist.“ Vertrauen nach 462 Jahren. Wir können die Positionen und Geschwindigkeiten dieser Sterne nicht mehr zuverlässig vorhersagen.

Für Portegies Zwart und seine Kollegen kommt es nicht so sehr auf die 462 Jahre an. „462 Jahre sind natürlich sehr kurz, aber unser Punkt ist, dass wir als Astronomen anders als bisher auf das schauen müssen, was in der Nähe eines Schwarzen Lochs passiert“, sagte Portegies Zwart. „Und wir müssen neue Wörter dafür finden. Ich habe zum Beispiel zusammen mit Tjarda Boekholt angefangen, ein Glossar mit Definitionen zu erstellen, einfach weil es keine Begriffe gab, die diese neue Art von chaotischem Verhalten, die wir beobachteten, genau erfassten.“

Punktuelles Chaos

Die Forscher prägten das Phänomen „punktuelles Chaos“. Der Begriff ist von der Evolutionsbiologie inspiriert, wo das Gegenteil auftritt: das sogenannte unterbrochene Gleichgewicht. Dabei geht es um die Evolution innerhalb von Arten, bei der oft ein langfristiges Gleichgewicht herrscht, das nur sehr sporadisch durch ein schockierendes Ereignis unterbrochen wird.

„Vor dieser Forschung wusste man nicht, ob das Chaos in den Simulationen einen physikalischen Ursprung hatte oder ob es auf Rundungsfehler und andere Probleme bei den Berechnungen zurückzuführen war“, sagt Co-Autor Douglas Heggie, ein pensionierter, aber immer noch aktiver Mathematiker und Mathematiker Astronom an der Universität Edinburgh (Vereinigtes Königreich) und Pionier auf dem Gebiet des N-Körper-Problems.

„Wir haben die Simulationen und die zugrunde liegenden Berechnungen auf vielfältige Weise auf den Prüfstand gestellt. Unsere Ergebnisse sind solide. Wir sind nun in der Lage, echte Aussagen über das chaotische Verhalten von Systemen mit mehreren Sternen zu treffen. Das ist wunderbar“, sagt Heggie.