Ein Forschungsteam der US-amerikanischen Syracuse University im Bundesstaat New York hat herausgefunden, warum die Lichtausbrüche bei wiederkehrenden Begegnungen von Sternen und supermassereichen Schwarzen Löchern abnehmen. Die entscheidende Rolle spielt dabei die Eigendrehung der Himmelskörper, bevor sie in die gravitative Anziehungskraft geraten.
Wie in einer im Fachmagazin The Astrophysical Journal veröffentlichten Studie beschrieben wird, löst diese Erkenntnis ein jahrelanges Rätsel der Astrophysik. Die Erstautorin und Doktorandin Ananya Bandopadhyay liefert gemeinsam mit ihren Kollegen Benjamin Amend und Eric Coughlin eine Erklärung, wie eine hohe initiale Rotation den Masseverlust bei jedem weiteren Vorbeiflug spürbar verringern könnte.
Supermassereiche Schwarze Löcher und partielle Zerstörung
In den Zentren der meisten Galaxien befinden sich astronomische Objekte mit millionen- oder milliardenfacher Sonnenmasse, die starke Gravitationskräfte ausüben. Nähert sich ein Stern zu sehr, wird er durch die stark unterschiedlichen Gezeitenkräfte an seinen Rändern zerrissen, was in der Astronomie als Tidal-Disruption-Event bezeichnet wird.
Das dabei abgerissene Material fällt auf das Schwarze Loch zurück und verliert Energie, die in Form von hellen Lichtblitzen über einen Zeitraum von Tagen bis Monaten abgegeben wird. Da die Schwarzen Löcher selbst kein Licht aussenden, bieten diese kurzlebigen Leuchterscheinungen der Wissenschaft eine seltene Gelegenheit, die ansonsten unsichtbaren Zonen genauer zu untersuchen.
Nicht jeder Kontakt endet allerdings in einer sofortigen und vollständigen Zerstörung. Einige Sterne bleiben auf einer elliptischen Umlaufbahn gefangen und verlieren bei jedem Durchlauf, der Monate oder Jahre dauern kann, nur einen Teil ihres Materials.
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Breit angelegte Himmelsdurchmusterungen, die große Regionen kontinuierlich auf Helligkeitsveränderungen scannen, machen es möglich, diese Systeme gezielt zu beobachten. Von den rund zehn bisher identifizierten wiederkehrenden Systemen zeigten vier eine stetige Abnahme der Helligkeit bei jedem neuen Lichtblitz.
Innere Struktur und die Rolle der Rotation
Wie viel Masse ein Stern bei diesen wiederholten Vorbeiflügen verliert, hängt maßgeblich von seiner inneren Struktur ab. Ein massearmer Himmelskörper gleicht einem lockeren Geflecht und ist den Gezeitenkräften weitaus schutzloser ausgeliefert als kompaktere Exemplare, was zu unterschiedlichen Beobachtungsdaten führt.
Massereichere Sterne weisen eine zentralisiertere, schalenförmige Struktur auf, wodurch sie zwar äußere Schichten einbüßen, ihr dichter Kern aber weitgehend unbeschadet bleibt. Dieser Umstand erklärt zwar, warum der Masseverlust über die Zeit abnimmt, klärte aber bislang nicht den beobachteten Helligkeitsverlust der abgegebenen Flares.
„Wir haben darüber zwei Jahre lang gerätselt“, kommentiert Ananya Bandopadhyay die unerwarteten Ergebnisse früherer Computermodelle. Das Forschungsteam zeigt nun, dass ein Stern bereits mit einer sehr hohen Eigengeschwindigkeit in das System eintreten muss, damit das Schwarze Loch den Himmelskörper bei weiteren Begegnungen durch zusätzliche Drehmomente nicht noch schneller rotieren lässt.
Bleibt die Rotationsgeschwindigkeit stattdessen annähernd konstant, verkürzt sich die Zeitspanne nicht, in der das abgerissene Material in das Gravitationszentrum zurückfällt. Da bei jedem Vorbeiflug schlichtweg weniger Masse abgetragen wird, verringert sich folglich auch die Leuchtkraft des entstehenden Ausbruchs.
Der Hills-Mechanismus als kosmischer Ursprung
Die außergewöhnlich hohe Eigendrehung der beobachteten Sterne lässt sich verständlich erklären, wenn man annimmt, dass sie ursprünglich aus einem sehr engen Doppelsternsystem stammen. In einem solchen System kreisen zwei Sterne extrem nah umeinander. Nähert sich dieses Paar jetzt einem Schwarzen Loch, kommt der sogenannte Hills-Mechanismus ins Spiel: Die gewaltigen Gravitationskräfte des Schwarzen Lochs zerreißen das Doppelsternsystem.
Dabei wird einer der beiden Sterne weit ins All hinausgeschleudert, während der andere in eine enge Umlaufbahn um das Schwarze Loch gezwungen wird. Weil die beiden Sterne zuvor so extrem eng umeinander kreisten, waren sie aneinander „gekoppelt“ (ähnlich wie der Mond an die Erde, der uns immer dieselbe Seite zeigt). Um diese Kopplung aufrechtzuerhalten, mussten sie sich rasend schnell um ihre eigene Achse drehen. Genau diesen enormen Schwung, diese extreme Eigendrehung, bringt der eingefangene Stern dann mit in seine neue Umlaufbahn um das Schwarze Loch, was schließlich das kontinuierliche Abklingen der Lichtausbrüche erklärt.
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Diese Dynamik liefert nicht nur eine schlüssige Erklärung für weit entfernte Systeme im beobachtbaren Universum. Auch in unserer direkten kosmischen Nachbarschaft könnte dieser Prozess eine bislang unerkannte, aber entscheidende Rolle gespielt haben.
Das supermassereiche Objekt Sagittarius A im Zentrum der Milchstraße wird ebenfalls von speziellen Sternpopulationen umkreist, deren Herkunft nicht vollständig geklärt ist. Die aktuellen Berechnungen der Forscher:innen der Universität aus Syracuse könnten künftig dabei helfen, auch diese lokalen Phänomene sehr viel präziser einzuordnen.
