Die Kokons sterbender Sterne könnten schnelle blaue optische Transienten erklären

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2018 haben schnelle blaue optische Transienten (FBOTs) sowohl beobachtende als auch theoretische Astrophysiker völlig überrascht und völlig verwirrt.

So heiß, dass sie blau leuchten, sind diese mysteriösen Objekte das hellste bekannte optische Phänomen im Universum. Aber da bisher nur wenige entdeckt wurden, sind die Ursprünge von FBOTs schwer fassbar geblieben.

Jetzt präsentiert ein Astrophysik-Team der Northwestern University eine kühne neue Erklärung für den Ursprung dieser merkwürdigen Anomalien. Unter Verwendung eines neuen Modells glauben die Astrophysiker, dass FBOTs aus den aktiv kühlenden Kokons resultieren könnten, die Jets umgeben, die von sterbenden Sternen gestartet werden. Es ist das erste astrophysikalische Modell, das vollständig mit allen Beobachtungen im Zusammenhang mit FBOTs übereinstimmt.

Die Forschung wurde am 11. April in veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Wenn ein massereicher Stern kollabiert, kann er Trümmer mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ausströmen lassen. Diese Ausflüsse oder Jets kollidieren mit kollabierenden Schichten des sterbenden Sterns und bilden einen „Kokon“ um den Jet herum. Das neue Modell zeigt, dass, wenn der Jet den Kokon nach außen drückt – weg vom Kern des kollabierenden Sterns – er abkühlt und Wärme als beobachtete FBOT-Emission freisetzt.

„Ein Jet startet tief im Inneren eines Sterns und bohrt sich dann seinen Weg heraus, um zu entkommen“, sagte Ore Gottlieb von Northwestern, der die Studie leitete. „Wenn sich der Jet durch den Stern bewegt, bildet er eine ausgedehnte Struktur, die als Kokon bekannt ist. Der Kokon umhüllt den Jet, und er tut dies auch dann noch, wenn der Jet aus dem Stern entweicht, dieser Kokon entweicht mit dem Jet. Als wir berechnet haben Wie viel Energie der Kokon hat, hat sich herausgestellt, dass er so mächtig ist wie ein FBOT.“

Gottlieb ist ein Rothschild Fellow am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Er hat das Papier zusammen mit CIERA-Mitglied Sasha Tchekovskoy, einem Assistenzprofessor für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern, verfasst.

Das Wasserstoffproblem

FBOTs (ausgesprochen F-bot) sind eine Art kosmische Explosion, die ursprünglich im optischen Wellenlängenbereich entdeckt wurde. Wie der Name schon sagt, verblassen Transienten fast so schnell, wie sie erscheinen. FBOTs erreichen ihre maximale Helligkeit innerhalb weniger Tage und verblassen dann schnell – viel schneller als der Auf- und Abbau von Standard-Supernovae.

Nach der Entdeckung von FBOTs vor nur vier Jahren fragten sich Astrophysiker, ob die mysteriösen Ereignisse mit einer anderen vorübergehenden Klasse zusammenhängen: Gammastrahlenausbrüche (GRBs). GRBs sind die stärksten und hellsten Explosionen aller Wellenlängen und werden auch mit sterbenden Sternen in Verbindung gebracht. Wenn ein massiver Stern seinen Treibstoff verbraucht hat und in ein Schwarzes Loch kollabiert, startet er Jets, um eine starke Gammastrahlenemission zu erzeugen.

„Der Grund, warum wir glauben, dass GRBs und FBOTs verwandt sein könnten, ist, dass beide sehr schnell sind – sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit – und beide asymmetrisch geformt sind, wodurch die Kugelform des Sterns gebrochen wird“, sagte Gottlieb. „Aber es gab ein Problem. Sternen, die GRBs produzieren, fehlt Wasserstoff. Wir sehen in GRBs keine Anzeichen von Wasserstoff, während wir in FBOTs überall Wasserstoff sehen. Es kann also nicht dasselbe Phänomen sein.“

Mit ihrem neuen Modell glauben Gottlieb und seine Co-Autoren, eine Antwort auf dieses Problem gefunden zu haben. Wasserstoffreiche Sterne neigen dazu, Wasserstoff in ihrer äußersten Schicht zu beherbergen – eine Schicht, die zu dick ist, als dass ein Jet sie durchdringen könnte.

„Grundsätzlich wäre der Stern zu massereich, als dass der Jet ihn durchstoßen könnte“, sagte Gottlieb. „Der Jet wird es also nie aus dem Stern heraus schaffen, und deshalb kann er keinen GRB produzieren. In diesen Sternen überträgt der sterbende Jet jedoch seine gesamte Energie auf den Kokon, der die einzige Komponente ist, die dem Stern entkommt. Der Kokon wird FBOT-Emissionen emittieren, zu denen auch Wasserstoff gehört. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem unser Modell vollständig mit allen FBOT-Beobachtungen übereinstimmt.“

Das Bild zusammenfügen

Obwohl FBOTs in optischen Wellenlängen hell leuchten, senden sie auch Radiowellen und Röntgenstrahlen aus. Gottliebs Modell erklärt auch diese.

Wenn der Kokon mit dem dichten Gas interagiert, das den Stern umgibt, erwärmt diese Wechselwirkung Sternmaterial, um eine Radioemission freizusetzen. Und wenn sich der Kokon weit genug vom Schwarzen Loch (aus dem kollabierten Stern gebildet) ausdehnt, können Röntgenstrahlen aus dem Schwarzen Loch austreten. Die Röntgenstrahlen verbinden sich mit Radio- und optischem Licht, um ein vollständiges Bild des FBOT-Ereignisses zu erhalten.

Während Gottlieb von den Ergebnissen seines Teams ermutigt ist, sagt er, dass weitere Beobachtungen und Modelle erforderlich sind, bevor wir die mysteriösen Ursprünge der FBOTs endgültig verstehen können.

„Das ist eine neue Klasse von Transienten, und wir wissen so wenig über sie“, sagte Gottlieb. „Wir müssen mehr von ihnen früher in ihrer Entwicklung entdecken, bevor wir diese Explosionen vollständig verstehen können. Aber unser Modell ist in der Lage, eine Grenze zwischen Supernovae, GRBs und FBOTs zu ziehen, was ich für sehr elegant halte.“

„Diese Studie ebnet den Weg für fortgeschrittenere Simulationen von FBOTs“, sagte Tchekovskoy. „Dieses Modell der nächsten Generation wird es uns ermöglichen, die Physik des zentralen Schwarzen Lochs direkt mit den Observablen zu verbinden, wodurch wir ansonsten verborgene Physik des FBOT-Zentralmotors aufdecken können.“