Der Tod durch ein Schwarzes Loch ist für Sterne, die in Doppelsystemen mit einem dieser kosmischen Titanen existieren, nicht immer unvermeidlich.
Es könnte für kleine Sterne in solchen Systemen eine Möglichkeit geben, ihrem erwarteten Schicksal zu entgehen: heftige Supernovae, die mit der Entstehung eines weiteren Schwarzen Lochs enden. Es wird angenommen, dass dieser erwartete Mechanismus die kleinen Sterne auch in Snacks für ihre Partner im Schwarzen Loch verwandelt.
Die Entdeckung erfolgte dank zweier seltsamer Schwarzloch-Doppelsysteme, die vom hochpräzisen Sternverfolgungs-Weltraumteleskop Gaia entdeckt wurden. Die Systeme enthalten tatsächlich zwei der der Erde am nächsten gelegenen Schwarzen Löcher.
Die Schwarzen Löcher tragen die Bezeichnungen BH1 und BH2 und befinden sich nur 1.560 bzw. 3.800 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbilds Schlangenträger. Die Systeme, in denen sie leben, enthalten Sterne in weiten Umlaufbahnen, die nicht von ihren Schwarzen-Loch-Begleitern gespeist werden und sich immer noch im gleichen Entwicklungsstadium wie die Sonne befinden.
Das ist außergewöhnlich, da Begleitsterne die Verwandlung ihres massereichen Partnersterns in ein Schwarzes Loch nicht überleben sollen. Das liegt daran, dass die Umwandlung in ein Schwarzes Loch gewalttätig und turbulent ist, da massereiche Sterne anschwellen und ihre Begleiter verschlingen, bevor sie explodieren und kleinere Begleiter mit stellarem Material und genug Energie überschütten, um sie zu zerstören oder aus der Umlaufbahn zu schleudern. Das bedeutet, dass kleine Begleitsterne von Schwarzen Löchern im Allgemeinen entweder zerstört, verschlungen oder ausgeworfen werden.
Dieses Schicksal wird im Allgemeinen durch Wechselwirkungen wie Massentransfers zwischen den kleinen Begleitsternen und den massereichen Sternen besiegelt, die vor ihrem Tod Schwarze Löcher oder „Vorläufersterne“ hervorbringen.
„Wir haben nach einer Möglichkeit gesucht, eine Interaktion des Vorläufers des Schwarzen Lochs mit seinem Begleiter zu vermeiden“, sagte Forschungsleiter Matthias Kruckow gegenüber Space.com.
Diese Ergebnisse werden Sie umhauen
Mit Massen, die etwa zehnmal so groß sind wie die der Sonne, sollten die Sterne, die bei der Geburt der Schwarzen Löcher BH1 und BH2 starben, so groß gewesen sein, dass sie während ihres Todes mit ihren kleineren Begleitsternen interagierten.
Wenn dies jedoch der Fall gewesen wäre, hätten die Begleitsterne von BH1 und BH2 aus ihrer Hauptreihenlebensdauer vertrieben werden müssen; Auf diese Phase entfallen 90 % des Lebens eines Sterns. Dabei handelt es sich um einen gewöhnlichen Stern wie die Sonne, der in seinem Kern Wasserstoff verbrennt, um Helium zu bilden. Es scheint jedoch, dass sich die Sterne, die BH1 und BH2 begleiten, möglicherweise noch in der Hauptsequenzphase befinden, obwohl dies noch nicht klar ist.
Darüber hinaus hätte der Massentransfer zwischen den Begleitsternen und den Sternen, die bei der Entstehung dieser Schwarzen Löcher starben, die Umlaufbahnen dieser Systeme verengt.
In diesen Fällen entwickeln sich Systeme mit Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen mit Begleitsternen. In diesen Fällen wären die Begleitsterne in diesen engen Umlaufbahnen jedoch so nah am Schwarzen Loch, dass dieser kosmische Titan beginnen würde, Sternmaterial abzustreifen. Dieses Material würde eine Materialscheibe um das Schwarze Loch bilden, die es nach und nach speist.
Die immense Schwerkraft des Schwarzen Lochs führt dazu, dass in den Akkretionsscheiben enorme Gezeitenkräfte entstehen, die zu Reibung und Erwärmung führen und zur Emission elektromagnetischer Strahlung, einschließlich Röntgenstrahlung, führen.
Daher werden Doppelsterne aus Schwarzen Löchern und Sternen normalerweise anhand ihrer starken Röntgenemissionen identifiziert. Allerdings fehlen den BH1- und BH2-Systemen diese Röntgensignaturen.
Wären die Sterne nah genug an ihren Partnern im Schwarzen Loch gewesen, hätten sie durch die immense Schwerkraft und die Gezeitenkräfte, die in ihnen erzeugt werden, sogar zerquetscht und zu einem Strang stellarer Nudeln zusammengedrückt werden können.
Dieser Tod durch „Spaghettifizierung“ und das Verschlingen von Sternmaterial wird als Tidal Disruption Event oder „TDE“ bezeichnet. Sie sind mit hellen Strahlungsemissionen verbunden. Und wiederum ist es etwas, was die Sterne um BH1 und BH2 vermieden haben.
Aber wie?
Die Antwort weht im Wind
Krucow und sein Team folgten der Entwicklung von Sternen mit einer Masse von mehr als dem 80-fachen der Sonnenmasse und fanden eine Lösung und einen möglichen Überlebensmechanismus für kleine Sterne in der Nähe von Schwarzen Löchern.
Kruckow erklärte, dass der Schlüssel zum Überleben die starken Winde sind, die von extrem massereichen Sternen mit hohen Konzentrationen an Elementen wehen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind und die Astronomen „Metalle“ nennen.
Diese Winde tragen nicht nur dazu bei, den Massentransfer zwischen den Sternen vor der Entstehung des Schwarzen Lochs zu verhindern, sondern führen auch dazu, dass der massereiche Vorläuferstern an Masse verliert und schrumpft. Die starken Winde des massereichen Sterns treiben auch den Begleitstern in eine größere Umlaufbahn.
Diese Elemente tragen dazu bei, den Begleitstern davor zu schützen, verschlungen zu werden, wenn seine massereichen Begleiter zur Supernova werden. Dieselben Faktoren erzeugen auch eine breitere Umlaufbahn, die verhindert, dass der Stern durch TDE einen grausamen Tod erleidet oder von seinem Begleiter im Schwarzen Loch gefüttert wird.
Die Tatsache, dass sowohl BH1 als auch BH2 ähnliche Massen haben, deutete für das Team darauf hin, dass beide Systeme demselben Evolutionskanal folgten.
„Es war aufschlussreich, dass die Winde in verschiedenen Phasen der Sternentwicklung für unterschiedliche Eigenschaften dieser Art von Doppelsternsystemen verantwortlich sind“, sagte Kruckow.
Gaia hat auch ein drittes Schwarzloch-Binärsystem entdeckt, bei dem es sich laut Kruckow offenbar um eine andere Art von System handelt.
„Gaia BH3 ist in vielerlei Hinsicht sehr unterschiedlich, nicht nur in der unterschiedlichen Masse, sondern auch in der Metallizität des Begleiters, die viel geringer ist als bei Gaia BH1 und BH2“, sagte Kruckow. „Darüber hinaus ist Gaia BH3 mit einem Sternenstrom verbunden, bei dem es sich vermutlich um den Überrest eines Sternhaufens handelt.“
Während diese Winde und die breiten Doppelsternsysteme, die sie erzeugen, für das Überleben kleiner Sterne in der Nähe von Schwarzen Löchern hilfreich sind, stellen sie für Astronomen, die solche Systeme jagen, ein gewisses Hindernis dar.
Kruckow erklärte, dass diese breitere Umlaufbahn es zunächst schwierig machte, BH1 und BH2 als Doppelsterne zu bestätigen, da Astronomen nur die sonnenähnlichen Sternelemente beobachten konnten, während ihre Partner im Schwarzen Loch unsichtbar blieben.
„Zusätzlich sind die langen Zeiträume erforderlich, um den Stern über einen langen Zeitraum erneut zu beobachten, um die gesamte Umlaufbahn abzudecken. Dies ist erforderlich, um Doppelsterne von zufälligen Vorbeiflügen zu unterscheiden“, fügte Kruckow hinzu.
Der Forscher erklärte, dass Gaia darauf ausgelegt ist, Bilder mit sehr hoher Auflösung zu erstellen, was bedeutet, dass ein Vergleich der Bilder es Astronomen ermöglicht, die winzige Bewegung dieser entfernten Sterne zu erkennen.
„Im Moment ist dies die einzige Möglichkeit, diese großen Doppelsternsysteme aus Schwarzen Löchern und Sternen zu entdecken“, sagte Kruckow.
„Leider ist es sehr ungewiss, wie häufig Systeme wie BH1 und BH2 vorkommen, aber wir gehen davon aus, dass es in unserer Galaxie Hunderte bis Tausende davon gibt“, sagte Kruckow. „Die Unsicherheit rührt von einem Mangel an Wissen über extrem massereiche Sterne her, die Schwarze Löcher bilden. Vor allem, wenn diese Sterne Doppelsterne sind.“
Trotz dieser Unsicherheit geht das Team davon aus, dass Gaia mehrere Prozent dieser Doppelsterne in der Milchstraße entdecken kann.
„Wir können also darauf hoffen, dass mit den kommenden Datenveröffentlichungen von Gaia Dutzende bis Hundert entdeckt werden“, schloss Kruckow.
Die Forschung des Teams ist als Vorabdruck auf der Repository-Site arXiv verfügbar.
