Die Schwarzen Löcher im Zentrum der Milchstraße (der Heimatgalaxie der Erde) und Andromeda (einer unserer nächsten galaktischen Nachbarn) gehören zu den leisesten Verschlingern im Universum. Das wenige Licht, das sie aussenden, variiert implizit in der Helligkeit, was darauf hindeutet, dass sie eher einen kleinen, aber konstanten Strom an Materie als große Klumpen verbrauchen. Die Strömungen nähern sich dem Schwarzen Loch allmählich und spiralförmig, so wie Wasser in einen Abfluss wirbelt.
In der Milchstraße gibt es ein großes neues Schwarzes Loch, und es lauert in der Nähe der Erde. Dieser schlafende Riese wurde vom europäischen Weltraumteleskop Gaia entdeckt, das die Bewegungen von Milliarden Sternen in unserer Galaxie verfolgt. Das Schwarze Loch mit stellarer Masse, Gaia-BH3 genannt, ist 33-mal massereicher als unsere Sonne. Das bisher massereichste Schwarze Loch dieser Klasse, das in der Milchstraße entdeckt wurde, war ein Schwarzes Loch in einem Röntgendoppelsystem im Sternbild Schwan (Cyg X-1), dessen Masse schätzungsweise etwa das 20-fache der Masse von beträgt Die Sonne. Das durchschnittliche Schwarze Loch mit Sternmasse in der Milchstraße ist etwa zehnmal massereicher als die Sonne.
Gaia-BH3 befindet sich nur 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist damit das zweitnächste Schwarze Loch, das jemals auf unserem Planeten entdeckt wurde. Das der Erde am nächsten gelegene Schwarze Loch ist Gaia-BH1 (ebenfalls von Gaia entdeckt), das 1.560 Lichtjahre entfernt ist. Gaia-BH1 hat eine Masse, die etwa dem 9,6-fachen der Sonnenmasse entspricht, und ist damit deutlich kleiner als dieses neu entdeckte Schwarze Loch, berichtet die Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.
Drei Schwarze Löcher mit Sternmasse in unserer Galaxie: (links) Gaia BH1, (Mitte) Cygnus X-1 und (rechts) Gaia BH3, deren Massen das 10-, 21- bzw. 33-fache der Sonnenmasse betragen. Gaia BH3 ist das massereichste Schwarze Loch mit Sternmasse, das bisher in der Milchstraße entdeckt wurde. ESO/M. Kornmesser
Natürlich sind Gaia-BH3 kleine Kartoffeln im Vergleich zu dem supermassiven Schwarzen Loch Sagittarius A* (Sgr A*), das das Herz der Milchstraße dominiert und eine Masse hat, die 4,2 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Supermassereiche Schwarze Löcher wie Sgr A* entstehen nicht durch den Tod massereicher Sterne, sondern durch die Verschmelzung immer größerer Schwarzer Löcher.
Alle Schwarzen Löcher sind durch eine äußere Grenze, den sogenannten Ereignishorizont, gekennzeichnet, an der die Fluchtgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs die Lichtgeschwindigkeit übersteigt. Dies bedeutet, dass der Ereignishorizont eine einseitig lichteinfangende Oberfläche ist, über die hinaus keine Informationen entweichen können.
Die Region um das Schwarze Loch Gaia-BH3. ESO/Digitalisierte Himmelsdurchmusterung
Infolgedessen emittieren oder reflektieren Schwarze Löcher kein Licht, was bedeutet, dass sie nur „gesehen“ werden können, wenn sie von der Materie umgeben sind, von der sie sich nach und nach ernähren. Manchmal handelt es sich dabei um ein Schwarzes Loch in einem Doppelsternsystem, das einem Begleitstern Material entzieht und um ihn herum eine Scheibe aus Gas und Staub bildet.
Der enorme Gravitationseinfluss von Schwarzen Löchern erzeugt in der umgebenden Materie starke Gezeitenkräfte, die dazu führen, dass diese mit Material, das zerstört und verbraucht wird, hell leuchtet und dabei auch Röntgenstrahlen aussendet. Darüber hinaus kann Material, das das Schwarze Loch nicht frisst, auf seine Pole gerichtet und in Form von Jets mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden, die mit der Emission von Licht einhergehen.
All diese Lichtemissionen könnten es Astronomen ermöglichen, Schwarze Löcher zu entdecken. Die Frage ist: Wie können wir ruhende Schwarze Löcher entdecken, die nicht durch das sie umgebende Gas und den Staub gespeist werden? Was wäre zum Beispiel, wenn ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse einen Begleitstern hat, dieser aber zu weit voneinander entfernt ist, als dass das Schwarze Loch seinem binären Partner Sternmaterie entreißen könnte?
Diagramm, das die Standorte von drei von Gaia entdeckten Schwarzen Löchern zeigt. ESA/Gaia-Zusammenarbeit
In solchen Fällen kreisen das Schwarze Loch und sein Begleitstern um einen Punkt, der den Massenschwerpunkt des Systems darstellt. Dies geschieht auch, wenn der Stern von einem leichten Begleiter umkreist wird, beispielsweise einem anderen Stern oder sogar einem Planeten.
Die Rotation des Massenschwerpunkts verursacht ein Wackeln in der Bewegung des Sterns, das Astronomen beobachten. Da Gaia über umfassende Erfahrung in der präzisen Messung der Bewegung von Sternen verfügt, ist es ein ideales Werkzeug zur Beobachtung dieses Wackelns.
Das Gaia-Forschungsteam für Schwarze Löcher begann mit der Suche nach seltsamen Fluktuationen, die nicht durch die Anwesenheit eines anderen Sterns oder Planeten erklärt werden konnten und die auf die Anwesenheit eines schwereren Begleiters, vielleicht eines Schwarzen Lochs, hinweisen würden.
Auf dem Weg zu einem alten Riesenstern im Sternbild Aquila, der 1.926 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, entdeckte das Team ein Wackeln in der Bahn des Sterns. Dieses Wackeln deutet darauf hin, dass der Stern in einer Orbitalbewegung mit einem ruhenden Schwarzen Loch von außergewöhnlich hoher Masse verbunden ist. Sie sind durch einen Abstand voneinander getrennt, der von der Entfernung zwischen der Sonne und Neptun an ihrer breitesten Stelle und unserem Stern und Jupiter an ihrer nächsten Stelle variiert. Dank Gaias Sensibilität konnte die Black Hole Task Force auch die Masse von Gaia-BH3 eingrenzen und ermittelte, dass es 33 Sonnenmassen hat.
Künstlerische Darstellung des Systems, das das massereichste stellare Schwarze Loch in unserer Galaxie enthält. ESO/L. Calçada
„Gaia-BH3 ist das allererste Schwarze Loch, dessen Masse wir so präzise messen konnten“, sagte Tsevi Maseh, Wissenschaftlerin und Mitglied der Gaia-Kollaboration an der Universität Tel Aviv. „Mit der 30-fachen Masse unserer Sonne ist die Masse des Objekts typisch für die Schätzungen, die wir für die Massen sehr weit entfernter Schwarzer Löcher haben, die in Gravitationswellenexperimenten beobachtet wurden. Die Gaia-Messungen liefern den ersten schlüssigen Beweis dafür, dass Schwarze Löcher dieser großen Masse tatsächlich existieren.“
Allerdings dürfte das Gaia-BH3-System nicht nur wegen seiner Nähe zur Erde und der Masse seines Schwarzen Lochs für Wissenschaftler von großem Interesse sein.
Der Stern in diesem System ist ein Unterriese, der etwa fünfmal größer als die Sonne und 15-mal heller ist, obwohl er kühler und weniger dicht als unser Stern ist. Der Begleitstern Gaia-BH3 besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium, den beiden leichtesten Elementen im Universum, und es fehlen ihm die schwereren Elemente, die Astronomen (etwas verwirrend) „Metalle“ nennen.
Die Tatsache, dass dieser Stern „metallarm“ ist, deutet darauf hin, dass dem Stern, der kollabierte und starb und dabei Gaia-BH3 entstand, auch schwerere Elemente fehlten. Es wird erwartet, dass metallarme Sterne im Laufe ihres Lebens mehr Masse verlieren als ihre metallreichen Gegenstücke. Daher fragen sich Wissenschaftler, ob sie genug Masse tragen können, um Schwarze Löcher hervorzubringen. Gaia-BH3 ist der erste Hinweis darauf, dass metallarme Sterne dies tatsächlich tun könnten.
„Die nächste Veröffentlichung der Gaia-Daten wird voraussichtlich viel mehr Informationen enthalten, die uns helfen sollten, mehr von der ‚Matrix‘ zu ‚sehen‘ und zu verstehen, wie ruhende schwarze Löcher in Sternen entstehen“, schloss Seabrock.
Die Schwarzen Löcher im Zentrum der Milchstraße (der Heimatgalaxie der Erde) und Andromeda (einer unserer nächsten galaktischen Nachbarn) gehören zu den leisesten Verschlingern im Universum. Das wenige Licht, das sie aussenden, variiert implizit in der Helligkeit, was darauf hindeutet, dass sie eher einen kleinen, aber konstanten Strom an Materie als große Klumpen verbrauchen. Die Strömungen nähern sich dem Schwarzen Loch allmählich und spiralförmig, so wie Wasser in einen Abfluss wirbelt.
Mithilfe von Computermodellen simulierten die Autoren, wie sich Gas und Staub in der Nähe von Andromedas supermassereichem Schwarzen Loch im Laufe der Zeit verhalten könnten. Simulationen haben gezeigt, dass sich in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs eine kleine Scheibe aus heißem Gas bilden und dieses kontinuierlich versorgen kann. Die Scheibe kann durch zahlreiche Gas- und Staubströme aufgefüllt und gewartet werden.
Allerdings fanden die Forscher auch heraus, dass diese Ströme innerhalb einer bestimmten Größe und Fließgeschwindigkeit bleiben müssen; Andernfalls würde Materie in unregelmäßigen Klumpen in das Schwarze Loch fallen, was zu noch größeren Lichtschwankungen führen würde.
Als die Autoren ihre Ergebnisse mit Daten von Spitzer und dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA verglichen, fanden sie zuvor von Spitzer identifizierte Staubspiralen, die diesen Einschränkungen entsprachen. Daraus schlossen die Autoren, dass die Spiralen das supermassereiche Schwarze Loch Andromeda speisen.
Diese Nahaufnahme des Zentrums der Andromeda-Galaxie, aufgenommen mit dem ehemaligen Spitzer-Weltraumteleskop der NASA, ist mit blauen gepunkteten Linien markiert, die den Weg zweier Staubströme verdeutlichen, die auf das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie zuströmen (angezeigt durch die violette Farbe. Punkt). NASA/JPL-Caltech
„Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Wissenschaftler Archivdaten erneut untersuchen, um mehr über die Dynamik von Galaxien zu erfahren, indem sie sie mit den neuesten Computersimulationen vergleichen“, sagte Almudena Prieto, Astrophysikerin am Institut für Astrophysik der Kanarischen Inseln und der Universität München Observatory und Co-Autor der in diesem Jahr veröffentlichten Studie. „Wir haben Daten von vor 20 Jahren, die uns Dinge verraten, die wir bei der ersten Erhebung nicht erkannt hatten.“
Spitzer wurde 2003 gestartet und vom Jet Propulsion Laboratory der NASA betrieben und untersuchte das Universum im Infrarotlicht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Unterschiedliche Wellenlängen offenbaren unterschiedliche Merkmale von Andromeda, darunter heißere Lichtquellen wie Sterne und kühlere Quellen wie Staub.
Indem sie diese Wellenlängen trennen und nur den Staub betrachten, können Astronomen das „Skelett“ einer Galaxie erkennen – die Orte, an denen Gas kondensiert und abgekühlt ist und manchmal Staub bildet, wodurch die Bedingungen für die Sternentstehung geschaffen werden. Dieser Blick auf Andromeda brachte einige Überraschungen zutage. Obwohl es sich beispielsweise um eine Spiralgalaxie wie die Milchstraße handelt, wird Andromeda von einem großen Staubring dominiert und nicht von einzelnen Armen, die ihr Zentrum umgeben. Die Bilder zeigten auch ein sekundäres Loch in einem Teil des Rings, durch das eine Zwerggalaxie gegangen war.
Andromedas Nähe zur Milchstraße bedeutet, dass sie von der Erde aus größer erscheint als andere Galaxien: Mit bloßem Auge betrachtet ist Andromeda etwa sechsmal breiter als der Mond (etwa 3 Grad). Selbst mit einem größeren Sichtfeld als Hubble musste Spitzer 11.000 Bilder aufnehmen, um ein vollständiges Bild von Andromeda zu erstellen.
JPL leitete die Mission des Spitzer-Weltraumteleskops für das Science Mission Directorate der NASA in Washington, bis die Mission im Januar 2020 abgebrochen wurde. Der wissenschaftliche Betrieb wurde im Spitzer Science Center am Caltech durchgeführt. Der Betrieb der Raumfahrzeuge erfolgte im Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado. Die Daten werden im Infrarot-Wissenschaftsarchiv archiviert, das vom IPAC am Caltech verwaltet wird. Caltech betreibt JPL für die NASA.
Eine neue Studie über einen seltenen und kurzlebigen Galaxientyp hat herausgefunden, dass einige Objekte ruhende supermassereiche Schwarze Löcher beherbergen, die kurzzeitig erwachen, um einen massereichen Stern zu zerreißen, seine Überreste zu verzehren und sie in ein riesiges kosmisches Frühstück zu verwandeln.
„Kompakte symmetrische Objekte“ oder CSOs sind aktive Galaxien, die zwei Lichtstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aussenden. Diese Jets sind typisch für aktive galaktische Kerne (AGNs), in deren Zentren sich supermassereiche Schwarze Löcher befinden, die sich von umgebendem Gas und Staub ernähren – CSO-Jets sind jedoch anders, berichtet das Astrophysical Journal.
Dieses Radiobild zeigt zwei Jets, die aus dem Zentrum von Cygnus A, einer Galaxie in der Nähe unserer Galaxie, ausgestoßen werden. Eine neue Arbeit berichtet über die Entdeckung eines ähnlichen Objekts in einer viel weiter entfernten, alten Galaxie. Diese Galaxie hat einen hellen, relativistischen Jet, der von ihrem zentralen supermassiven Schwarzen Loch ausgeht und auf die Erde gerichtet ist, was sie zu einem Blazar macht. NRAO
Während die Jets aktiver galaktischer Kerne sich über 230.000 Lichtjahre in beide Richtungen erstrecken können, sind die CSO-Jets klein und erstrecken sich nur etwa 1.500 Lichtjahre.
Wissenschaftler haben zuvor die Theorie aufgestellt, dass CSO-Jets kurz sind, weil sie neu gebildet oder jung sind. Nun hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des California Institute of Technology (Caltech) festgestellt, dass diese Jets einfach nur eine kurze Lebensdauer haben.
„Diese CSOs sind nicht jung. „Man würde einen 12-jährigen Hund nicht als jung bezeichnen, selbst wenn er weniger als ein erwachsener Mensch leben würde“, sagte Forschungsteamleiter Anthony Readhead, emeritierter Professor für Astronomie am California Institute of Technology, in einer Erklärung. „Diese Objekte stellen eine eigenständige Spezies dar, die über Tausende von Jahren lebt und stirbt, und nicht über Millionen von Jahren, wie es typischerweise bei Galaxien mit größeren Jets der Fall ist.“
VLBA-Bild von zwei supermassereichen Schwarzen Löchern, von denen eines ein kompaktes symmetrisches Objekt (CSO) J0405+3803a ist, das einen Stern umhüllt. H. L. Maness/Grinnell College
Um das Geheimnis der CSOs zu lüften und ihre wahre Natur aufzudecken, verbrachten Readhead und seine Kollegen zwei Jahre damit, 3.000 CSO-Kandidaten in früherer Literatur und astronomischen Daten zu studieren, die vom Very Long Baseline Array (VLBA) und anderen hochauflösenden Radioteleskopen gewonnen wurden.
„Die VLBA-Beobachtungen sind die detailliertesten in der Astronomie und liefern Bilder mit einer Detailgenauigkeit, die der Messung der Breite eines menschlichen Haares in einer Entfernung von 160 Kilometern entspricht“, sagte Reedhead.
Das Team bestätigte, dass 64 dieser Kandidaten CSOs sind, und entdeckte außerdem 15 weitere solcher seltenen Galaxien. Durch die Analyse dieser CSOs kam das Team zu dem Schluss, dass diese seltenen Galaxientypen nur für 5.000 Jahre oder weniger Jets aussenden und dann verschwinden.
Künstlerische Darstellung eines Sterns (Vordergrund), der zerstört wird, während er an einem supermassiven Schwarzen Loch vorbeizieht. ESO/M. Kornmesser
„Die CSO-Jets sind sehr energiegeladene Jets, aber sie scheinen abzuschalten“, sagte Teammitglied Vikram Ravi, Assistenzprofessor am Caltech. „Die Ströme hören auf, von der Quelle zu fließen.“
Das Team hat einen Verdächtigen hinter den Jets identifiziert: Sie vermuten, dass im Herzen der CSOs supermassereiche Schwarze Löcher stecken, die Sterne, die ihnen zu nahe kommen, in sogenannten Tidal Disruption Events (TDEs) auseinanderreißen.
Wenn Sterne einem Schwarzen Loch zu nahe kommen, erzeugt seine enorme Schwerkraft starke Gezeitenkräfte im Sternkörper. Diese Gezeitenkräfte dehnen den Stern vertikal aus und komprimieren ihn gleichzeitig horizontal, ein Vorgang, der als „Spaghetifizierung“ bezeichnet wird.
Ein supermassereiches Schwarzes Loch zerreißt einen Stern und verschlingt ihn. Einschub: Ein Bild vom Very Long Baseline Array zeigt zwei supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien, wobei das rechte gerade gerade einen Stern gefressen hat. ESA/C. Carreau. Einfügung: H.L. MANESS/GRINNELL COLLEGE
Diese Sternnudel wickelt sich um und bildet eine Materiescheibe, die nach und nach vom supermassereichen Schwarzen Loch gefressen wird. Aber Schwarze Löcher sind unordentliche Fresser, und ein Teil dieser Sternmaterie wird zu den Polen dieser kosmischen Monster geleitet. Von dort wird ein Teil des Materials in Form von Strahlen ausgeschleudert. Dieser TDE-Prozess wird von unglaublich hellen Lichtausbrüchen begleitet, die den Astronomen verraten, dass diese supermassereichen Schwarzen Löcher sie versorgen.
„Wir glauben, dass ein Stern auseinandergerissen wird und dann die gesamte Energie in Strahlen entlang der Achse gelenkt wird, um die sich das Schwarze Loch dreht“, erklärte Reedhead. „Das riesige Schwarze Loch ist für uns zunächst unsichtbar, und wenn es dann den Stern verschluckt, bam! Das Schwarze Loch hat Treibstoff und wir können ihn sehen.“
Allerdings kann nicht jeder Stern die Art schmutziger Weltraumnahrung sein, die ein Schwarzes Loch wie CSO erweckt. Das Team glaubt, dass das CSO nur dann entsteht, wenn ein wirklich massereicher Stern durch ein supermassereiches Schwarzes Loch im TDE auseinandergerissen wird.
„Die TDEs, die wir zuvor gesehen haben, hielten nur ein paar Jahre an“, erklärte Ravi. „Wir glauben, dass die bemerkenswerten TDEs, die CSOs antreiben, viel länger halten, weil die zerstörten Sterne sehr groß, sehr massereich oder beides sind.“
Reedhead und seine Kollegen konnten außerdem ein „kosmisches Familienalbum“ erstellen, das zeigt, wie sich die CSOs und ihre Jets im Laufe der Zeit entwickelt haben. Jüngere CSOs haben kürzere Jets und liegen näher am zentralen supermassereichen Schwarzen Loch, während ältere CSOs längere Jets haben und sich weiter vom TDE-Standort entfernen.
Das Team kam zu dem Schluss, dass zwar die überwiegende Mehrheit der CSOs aussterben wird, bei 1 % von ihnen jedoch langanhaltende Ereignisse mit ausgedehnten Jets auftreten werden, ähnlich denen, die bei Cygnus A beobachtet werden, einem entfernten supermassereichen Schwarzen Loch, dessen Jets auf die Erde gerichtet sind ( eine Klasse von Objekten namens Blazare).
Forscher schätzen, dass das zentrale Schwarze Loch bei einem von 100 langlebigen Ereignissen durch zusätzliches Gas und Staub angetrieben wird, die durch die Verschmelzung seiner Muttergalaxie mit einer anderen entstehen.
Für Reedhead stützen diese Ergebnisse eine Theorie, die er erstmals in den 1990er Jahren aufgestellt hatte, als nur drei CSOs entdeckt wurden. Als diese Idee zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, wurde sie von der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend nicht anerkannt, sollte aber durch diese neuen Erkenntnisse Unterstützung finden.
„Diese Hypothese geriet fast in Vergessenheit, da Jahre vergingen, bis sich die Beobachtungsergebnisse zugunsten von TDE zu häufen begannen“, sagte Readhead. „Diese Objekte stellen wirklich eine eigenständige Population mit eigenem Ursprung dar, und wir müssen jetzt mehr über sie und ihre Entstehung erfahren.“
„Die Möglichkeit, diese Objekte auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrzehnten statt Millionen von Jahren zu untersuchen, hat die Tür zu einem völlig neuen Labor für die Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher und der vielen unerwarteten und unvorhersehbaren Überraschungen, die sie bereithalten, geöffnet.“