Astronomen haben das erste „Schwarze-Loch-Triple“-System entdeckt, das aus einem Schwarzen Loch besteht, das sich hungrig von einem Begleitstern ernährt, während es von einem weiter entfernten, vorsichtigen Stern umkreist wird.
Schwarze Löcher entstehen beim gewaltsamen Tod massereicher Sterne in Supernova-Explosionen, aber diese überraschende Entdeckung könnte auf einen sanfteren Entstehungsprozess von Schwarzen Löchern hinweisen, der als „direkter Kollaps“ bezeichnet wird. Denn wenn der Ursprung dieses Schwarzen Lochs heftiger gewesen wäre, hätte es einen „vorgeburtlichen Kick“ gegeben, der den lose gebundenen fernen Stern aus diesem Dreifachsternsystem herausgeschleudert hätte.
Bei dem fraglichen System handelt es sich um V404 Cygni, das sich innerhalb der Milchstraße und etwa 8.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Dieses sogenannte „Röntgenbinärsystem“ des Schwarzen Lochs und seines Opfersterns war bereits zuvor bekannt und das System wurde gut untersucht. Eine eingehendere Untersuchung durch ein Team um Kevin Burdge vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ergab jedoch, dass dieser Doppelstern tatsächlich das Herzstück eines Dreifachsternsystems ist.
Wissenschaftler glauben, dass die meisten Schwarzen Löcher durch heftige Explosionen von Sternen entstehen, aber diese Entdeckung trägt dazu bei, dies in Frage zu stellen.
„Dieses System ist super spannend für die Entwicklung von Schwarzen Löchern und es wirft auch die Frage auf, ob es da draußen noch mehr Triples gibt“, sagte Burdge per E-Mail gegenüber Space.com. „Die Tatsache, dass dieser Stern immer noch gebunden ist, ist überraschend, da dies darauf hindeutet, dass er einen energiearmen Geburtsstoß erhalten hat.“
„Im Großen und Ganzen ist es nicht verwunderlich, dass Schwarze Löcher in Dreiergruppen vorliegen, da ein großer Teil der massereichen Sterne in Dreiergruppen vorliegt. Überraschend ist jedoch, dass dieses System nach der Bildung des Schwarzen Lochs an der Dreiergruppe festhielt.“
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Das Team hat herausgefunden, dass der „Opferstern“ dieses Schwarzen Lochs es in nur 6,5 Erdentagen umkreist, während der neu entdeckte dritte Stern im System den gierigen kosmischen Titanen so weit umkreist, dass er nur alle 70.000 Erdenjahre eine Umlaufbahn vollzieht.
„Diese Entdeckung war eigentlich nur ein glücklicher Zufall! Ich habe mir gerade ein Bild von V404 Cygni angesehen und festgestellt, dass es sich um ein Triple handelte“, sagte Burdge. „Was wir dann entdeckten, ist, dass das Schwarze Loch in V404 Cygni wahrscheinlich ohne einen Geburtsstoß geboren wurde.
„Das bedeutet nicht, dass nicht alle Schwarzen Löcher einen Geburtsschub bekommen, aber es zeigt, dass sich zumindest einige ohne sie bilden können.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (23. Oktober) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Das bekannte Schwarze Loch birgt immer noch Geheimnisse
Astronomen wissen von den Supernovae, die mit dem Tod eines massereichen Sterns einhergehen, nachdem ihm in seinem Kern der Kernbrennstoff ausgegangen ist und er sich jahrhundertelang nicht mehr gegen seine eigene Schwerkraft behaupten kann.
Als Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Wissenschaftler auf den Weg brachte, der zur Entdeckung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen führte, wurden diese hellen und heftigen kosmischen Explosionen schnell mit dem Geburtsprozess dieser ultradichten Sternenleichen in Verbindung gebracht.
Die schiere Kraft dieser Ereignisse bedeutet, dass sie oft heller sind als das kombinierte Licht jedes Sterns in der Galaxie, die sie umgibt. Das bedeutet auch, dass sie allen umlaufenden Sternen bei ihrem Ausbruch einen Energiekick verleihen.
„Die pränatalen Stöße sind der Nettoimpuls, den das Schwarze Loch nach seiner Geburt erhält. Wenn es also beispielsweise eine Supernova gibt und die Materie asymmetrisch ausgestoßen wird, wird das Schwarze Loch in die entgegengesetzte Richtung der Materie geschleudert, um den Impuls zu erhalten.“ sagte Burgge. „Es ist wirklich schwierig, diese vorgeburtlichen Stöße einzuschränken, teilweise weil wir so wenige bekannte Schwarze Löcher in der Milchstraße haben und weil es auch nicht viele gute Möglichkeiten gibt, sie zu messen, außer durch einen breiten dreifachen Begleiter, wie er in zu sehen ist.“ dieses System.“
Ein naher Stern, der gravitativ eng an das neue Schwarze Loch gebunden ist, könnte die Energie, die er durch diese Supernova-Explosion erhält, überleben und im System verbleiben. Die Stärke der Schwerkraft lässt jedoch über große Entfernungen schnell nach, was bedeutet, dass alle entfernten Sterne, die nicht fest vom Schwarzen Loch gehalten werden, ausgeschleudert werden sollten, um als „Schurkenstern“ durch den Kosmos zu wandern.
„Stellen Sie sich vor, Sie ziehen einen Drachen und statt einer starken Schnur ziehen Sie mit einem Spinnennetz“, erklärte Burdge in einer Stellungnahme des MIT. „Wenn Sie zu stark ziehen würden, würde das Netz reißen und Sie würden den Drachen verlieren. Die Schwerkraft ist wie diese kaum gebundene Saite, die wirklich schwach ist, und wenn Sie dem inneren Binärsystem etwas Dramatisches antun, verlieren Sie das äußere.“ Stern.”
Warum ist das also bei diesem Schwarzloch-Triple nicht passiert?
Drei sind keine Menschenmenge für dieses schwarze Loch
Bevor das Team diese Frage beantworten konnte, musste es zunächst bestätigen, dass dieser entfernte Stern definitiv den inneren Doppelstern von V404 Cygni umkreist. Dazu nutzten sie zehnjährige Beobachtungen mit dem Gaia-Weltraumteleskop, einer Raumsonde, die die Bewegung von Milliarden Sternen in der Milchstraße präzise überwacht.
Das Team stellte fest, dass sich die Sterne tatsächlich im Tandem bewegen, und stellte fest, dass die Wahrscheinlichkeit, dass diese Art von Bewegung darauf zurückzuführen ist, dass die Sterne nicht dasselbe System teilen, etwa eins zu 10 Millionen beträgt. Sie stellten außerdem fest, dass der äußere Stern 3.500 Mal weiter vom zentralen Schwarzen Loch entfernt ist als die Erde von unserer Sonne.
„Die Tatsache, dass wir über eine so große Entfernung zwei getrennte Sterne sehen können, bedeutet eigentlich, dass die Sterne wirklich sehr weit voneinander entfernt sein müssen“, sagte Burdge in der Erklärung. „Es ist mit ziemlicher Sicherheit kein Zufall oder Unfall. Wir sehen zwei Sterne, die einander folgen, weil sie durch diese schwache Schwerkraftkette verbunden sind. Das muss also ein Dreifachsystem sein.“
Aufflackernde Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs im Binärsystem V404 Cygni – YouTube
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Um herauszufinden, warum der äußere Stern dieses Systems nicht in den Weltraum geschleudert wurde, führte Burdge eine Reihe von Simulationen durch, um zu sehen, wie sich ein solches Dreifachsystem aus Schwarzen Löchern zu seinem gegenwärtigen Zustand entwickelt haben und dennoch seinen äußeren Stern behalten konnte.
Jede Simulation begann mit drei Sternen, von denen sich einer dann in ein Schwarzes Loch verwandelte. In die Simulationen wird eine Supernova-Explosion eingeführt, die Burdge Zehntausende Male durchführte und dabei die freigesetzte Energiemenge und die Richtung, in die die Energie freigesetzt wurde, variierte. Nur wenige dieser Simulationen führten zu einem Dreifachsystem aus Schwarzen Löchern.
Größtenteils waren die einzigen Simulationen, die die Beobachtungen des Teams dieses Systems reproduzierten, diejenigen, die eine Supernova-Explosion eliminierten und das Schwarze Loch durch einen direkten Kollaps entstehen ließen.
„Die überwiegende Mehrheit der Simulationen zeigt, dass der einfachste Weg, dieses Dreifach zum Funktionieren zu bringen, der direkte Zusammenbruch ist“, sagte Burdge.
Die Entdeckung, dass dieser äußere Stern mit V404 Cygni in Verbindung steht, hat dem Team auch dabei geholfen, das Alter des Dreifachsystems des Schwarzen Lochs zu bestimmen. Das liegt daran, dass sich der entfernte Stern gerade in einen Roten Riesen verwandelt. Dies geschieht, wenn Sterne ihre Hauptreihenphase verlassen und sich auf das Hundertfache ihrer ursprünglichen Breite aufblähen.
„Der dritte Körper ist tatsächlich ziemlich interessant! Zusätzlich zu seiner extrem weiten Umlaufbahn entwickelt sich der Stern gerade zu einem Roten Riesen, wodurch wir das Alter des Systems ermitteln können“, sagte Burdge per E-Mail.
Das Team ermittelte aus dieser Transformation, dass der äußere Stern etwa 4 Milliarden Jahre alt ist und kam zu dem Schluss, dass das gesamte System dasselbe Alter hat. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler einen solchen Alterungsprozess durchgeführt haben.
„Das ist uns noch nie zuvor bei einem alten Schwarzen Loch gelungen“, sagte Burdge. „Jetzt wissen wir, dass V404 Cygni Teil eines Tripels ist; es könnte durch einen direkten Kollaps entstanden sein, und dank dieser Entdeckung entstand es vor etwa 4 Milliarden Jahren.“
Das Team hat noch Fragen zur Natur dieses Systems, die es neben der Suche nach weiteren Schwarzen-Loch-Triples untersuchen wird.
„Eine der größten Fragen ist, wie die Umlaufbahn des äußeren Begleiters aussieht – ist sie kreisförmig oder exzentrisch? Wir werden versuchen, dies mit einem Instrument namens GRAVITY am European Very Large Telescope (VLT) zu messen“, schloss Burdge in seiner E-Mail . „Im Moment ist es das einzige bekannte Triple eines Schwarzen Lochs, aber wir führen eine laufende Kampagne durch, um mehr davon zu finden!“
