Schwarze Löcher naschen ständig an diesen Sternen, aber sie sterben einfach nicht

Die meisten Galaxien beherbergen vermutlich ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum, was im Grunde die Art des Universums ist zu sagen: „Ich habe einen wirklich großen Appetit.“ Diese enormen Objekte können Millionen oder sogar Milliarden Mal schwerer sein als die Sonne und erzeugen einige der stärksten Gravitationsumgebungen, die bekannt sind – stark genug, um einen Stern in Spaghetti zu verwandeln, wenn man auf solche Metaphern steht.

Wenn ein Stern gefährlich nahe an einem dieser Schwarzen Löcher vorbeizieht, ist die Zerstörung nicht immer sofort. Manche Sterne überleben die Begegnung und kommen wieder, um bei jedem Mal einen frischen Lichtblitz zu erzeugen. Diese Ereignisse, bekannt als sich wiederholende partielle Gezeitenzerstörungsereignisse (rpTDEs), ermöglichen es Astronomen, zuzusehen, wie derselbe Stern wiederholt von demselben Schwarzen Loch benascht wird. Weitfeld-Zeitbereichsdurchmusterungen machen dies möglich, indem sie große Himmelsregionen scannen und Objekte verfolgen, deren Helligkeit sich ändert – wie eine kosmische Reality-Show.

Doch einige dieser Systeme waren ein Rätsel. Anstatt bei jeder Rückkehr ähnliche Flares zu erzeugen, werden sie stetig schwächer – wie eine schlechte Fortsetzung, die an Schwung verliert. Jahrelang kämpften theoretische Modelle damit, dieses Verhalten zu erklären.

Neue Forschung von Astrophysikern der Syracuse University legt nahe, dass eine bisher unterschätzte Eigenschaft des Sterns der Schlüssel sein könnte: wie schnell er sich drehte, bevor seine erste enge Begegnung mit dem Schwarzen Loch. Die Studie, veröffentlicht in The Astrophysical Journal, wurde von Doktorandin Ananya Bandopadhyay geleitet, zusammen mit Postdoktorand Benjamin Amend und außerordentlichem Professor Eric Coughlin, alle in der Abteilung für Physik, sowie Mitarbeitern anderswo.

Bei einem standardmäßigen Gezeitenzerstörungsereignis (TDE) variiert die Schwerkraft des Schwarzen Lochs so stark über den Stern, dass der Stern vollständig auseinandergerissen wird. Die Trümmer fallen in Richtung Schwarzes Loch und setzen über Tage bis Monate Licht frei. Schwarze Löcher emittieren selbst kein Licht, aber ein TDE versorgt die Region vorübergehend mit Material, das sie erleuchtet – eine Art kosmische Taschenlampe.

Nicht jede Begegnung endet in totaler Zerstörung. Wenn ein Stern nahe genug vorbeizieht, um nur einen Teil seiner Masse zu verlieren, handelt es sich um ein partielles TDE. Bei einem sich wiederholenden partiellen TDE bleibt der überlebende Kern in der Umlaufbahn und kehrt für weitere enge Begegnungen zurück, wobei er jedes Mal mehr Material abgibt. Diese Passagen können Monate oder mehrere Jahre auseinanderliegen.

Die Menge des abgestreiften Materials hängt von der inneren Struktur des Sterns ab. Bandopadhyay vergleicht einen massearmen Stern mit einem fluffigen Baiser – er wird zunehmend anfällig für Gezeitenkräfte. Ein massereicherer Stern ist stärker zum Zentrum hin konzentriert, mit einer zwiebelartigen Struktur, verliert seine äußeren Schichten, während der Kern stabil bleibt, sodass der Massenverlust im Laufe der Zeit abnimmt.

Diese strukturellen Unterschiede helfen zu erklären, warum sich rpTDEs unterschiedlich entwickeln, aber eine Beobachtung war besonders rätselhaft: Von den etwa 10 bisher gefundenen sich wiederholenden Systemen zeigen vier Flares, die zunehmend schwächer werden. Es wäre natürlich anzunehmen, dass weniger abgestreiftes Material schwächere Flares bedeutet, aber frühere Simulationen zeigten das Gegenteil – selbst bei geringerem Massenverlust blieb die Spitzenhelligkeit etwa gleich.

„Wir waren zwei Jahre lang darüber verwirrt“, sagt Bandopadhyay.

Ihre frühere Arbeit offenbarte eine weitere Konsequenz der Gezeitenkräfte: Sie üben ein Drehmoment aus, das den Stern nach jeder Begegnung schneller dreht. Diese erhöhte Rotation ändert, wie schnell abgestreiftes Material zum Schwarzen Loch zurückfällt. Obwohl weniger Material zurückkommt, geschieht dies über eine kürzere Zeit, wodurch die Spitzen-Rückfallrate – und damit die vorhergesagte Flare-Helligkeit – etwa konstant bleibt.

Um die verblassenden Flares zu reproduzieren, benötigten die Forscher „eine neue Zutat“: einen Stern, der bereits vor seiner ersten Begegnung schnell rotierte. Ihre neuen Simulationen legen nahe, dass ein solcher Stern bei späteren Passagen nicht viel weiter beschleunigt werden kann. Ohne eine große Rotationszunahme bleibt die Rückfallzeit stabil, sodass mit weniger abgestreiftem Material die Spitzen-Rückfallrate sinkt und der Flare schwächer wird – passend zu den Beobachtungen.

Aber warum sollte ein Stern, der sich einem supermassereichen Schwarzen Loch nähert, bereits schnell rotieren? Die Forscher vermuten, dass dies auf den Hills-Mechanismus zurückzuführen sein könnte, bei dem ein Doppelsternsystem durch die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs auseinandergerissen wird, wobei ein Stern gebunden bleibt und der andere mit hoher Geschwindigkeit davonfliegt. Der gebundene Stern könnte dabei einen Drehimpuls erhalten, der ihn schnell rotieren lässt, bevor er später mit dem Schwarzen Loch kollidiert.

Die Studie bietet eine neue Erklärung für die beobachteten verblassenden rpTDE-Flares und zeigt, wie wichtig die anfängliche Rotation des Sterns für sein Schicksal ist. Zukünftige Beobachtungen, insbesondere mit dem Vera-C.-Rubin-Observatorium, könnten weitere solcher Ereignisse aufdecken und die Modelle weiter testen.