Bei der eROSITA All-Sky Survey haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ein interessantes Wiederholungsereignis entdeckt. In einer ansonsten ruhigen Galaxie wiederholt sich alle 220 Tage eine Röntgeneruption, was darauf hinweist, dass ein Stern, der das zentrale Schwarze Loch umkreist, das Gravitationsmonster auf nachfolgenden Umlaufbahnen „füttert“. Solche Ereignisse könnten effektive Werkzeuge sein, um den Akkretionsprozess und das Gravitationsfeld um supermassereiche Schwarze Löcher in anderen Galaxien zu erforschen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie & Astrophysik.
Die meisten Galaxien beherbergen in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch, und Beobachtungen deuten auf ein symbiotisches Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs und der Wirtsgalaxie hin. Diese Studien konzentrieren sich hauptsächlich auf „aktive“ Galaxien, also solche, in denen das zentrale Schwarze Loch ständig große Mengen an Materie ansammelt, die sich erhitzt und sehr hell leuchtet. Allerdings sind diese aktiven Galaxien (oder aktive galaktische Kerne, AGN) den ruhenden Galaxien weit unterlegen, in denen es viel schwieriger ist, auf das Vorhandensein des nuklearen supermassereichen Schwarzen Lochs zu schließen.
Gelegentlich kann ein Stern in einer Galaxie zu nahe an das zentrale Schwarze Loch wandern und durch seine starken Gezeitenkräfte gestört werden, in einem sogenannten „Gezeitenstörungsereignis“. Diese Ereignisse führen dazu, dass der Stern sein Material an das Schwarze Loch verliert, die Treibstoffrate des Gravitationsmonsters vorübergehend erhöht und eine Röntgeneruption erzeugt wird, wenn die Sternmaterie verbraucht wird.
Gezeitenstörungen treten ungefähr alle 10.000 Jahre pro Galaxie auf und sind selten, und die meisten bisher beobachteten Kandidaten sind einmalige Ereignisse, die aufgrund der Zerstörung des Sterns nur eine einzige Eruption zeigen. Kürzlich wurden einige Transienten gemeldet, die periodische oder sich wiederholende Flares zeigen. Diese könnten auf Sterne zurückzuführen sein, die glücklicherweise ihre erste Begegnung überlebt haben. Anstatt vollständig zerstört zu werden, umkreist der Überrest das supermassereiche Schwarze Loch, verliert Teile seiner äußeren Schichten und speist das Schwarze Loch bei jedem Durchgang.
„Solche sich wiederholenden partiellen Unterbrechungsereignisse könnten wirksame Werkzeuge sein, um den Akkretionsprozess um supermassereiche Schwarze Löcher herum zu untersuchen“, betont Zhu Liu, der Hauptautor der Studie am MPE. „Mit eROSITA haben wir einen sehr faszinierenden sich wiederholenden nuklearen Transienten in einer ansonsten ruhigen Galaxie gefunden.“
Während seiner gesamten Himmelsdurchmusterung beobachtete das eROSITA-Röntgenteleskop jede Position am Himmel mehrere Male und deckte dabei hochenergetische Transienten in Galaxien auf, die keine Signaturen früherer Aktivität in ihren Zentren zeigten. Die neue Quelle, J0456-20, die im Februar 2021 entdeckt wurde, befindet sich in einer ruhenden Galaxie, etwa 1 Milliarde Lichtjahre entfernt. Es ist eine der variabelsten Röntgenquellen, die von eROSITA gesehen wird, wobei der Röntgenfluss innerhalb einer Woche um den Faktor 100 abfällt.
Insgesamt beobachteten die Astronomen drei vollständige Zyklen sich wiederholender Röntgeneruptionen von der Quelle mit einer Wiederholungszeit von etwa 220 Tagen. Nachfolgende optische Beobachtungen zeigten eine typische ruhende Galaxie, während die sich wiederholenden Röntgeneruptionen stark auf ein sich wiederholendes partielles Gezeitenstörungsereignis hindeuten.
„Wir schätzen, dass der Stern, der das Schwarze Loch umkreist, bei seinem ersten, zweiten und dritten Besuch jeweils das Äquivalent von 5 %, 1,5 % und 0,5 % der Masse unserer Sonne verloren hat“, erklärt Adam Malyali, Postdoc am MPE. „Diese Verluste sind klein genug, dass der Stern mehrere partielle Störungsepisoden überleben könnte.“
Durch eine Zusammenarbeit mit der australischen ATCA-Einrichtung entdeckten die Wissenschaftler auch eine transiente Radioemission von J0456-20, die auf den Start eines Gasausflusses oder eines Jets hinweist. Zusammen mit der charakteristischen Röntgenentwicklung gibt es überzeugende Beweise für Veränderungen in der Struktur der Akkretionsscheibe um das supermassereiche Schwarze Loch.
„Weitere Folgebeobachtungen sind erforderlich, um die genauen Details der physikalischen Prozesse zu ermitteln“, sagt Andrea Merloni, Hauptforscherin von eROSITA. „Trotzdem liefert die Entdeckung dieses sich wiederholenden Röntgenereignisses bereits solide Beweise dafür, dass es Sterne in engen Umlaufbahnen um supermassive Schwarze Löcher jenseits unserer eigenen Milchstraße gibt. Diese bieten ideale Labors, um die Allgemeine Relativitätstheorie im Starkfeldregime zu testen.“
eROSITA hat bereits andere sich wiederholende Röntgenquellen gefunden, zB zwei quasi-periodische Eruptionen in AGN. In Zukunft erwarten die Wissenschaftler, weitere Ereignisse mit eROSITA und der bevorstehenden Einstein-Sondenmission zu entdecken.
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Z. Liu et al, Entschlüsselung der extremen Röntgenvariabilität des nuklearen transienten eRASSt J045650.3−203750, Astronomie & Astrophysik (2022). DOI: 10.1051/0004-6361/202244805
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