Bild eines Wolf Rayet-Sterns – möglicherweise bevor er in ein Schwarzes Loch kollabiert. Bildnachweis: ESO/L. Calçada
Astronomen ziehen zunehmend die Vorhänge vor Schwarzen Löchern zurück. In den letzten Jahren haben wir endlich echte Fotos dieser furchterregenden Kreaturen aufgenommen und vermessen Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit – die sie beim Zusammenstoß erzeugen. Aber es gibt noch vieles, was wir über schwarze Löcher nicht wissen. Eines der größten Rätsel ist, wie sie überhaupt entstehen.
Meine Kollegen und ich glauben jetzt, dass wir diesen Prozess beobachtet haben und einige der bisher besten Hinweise darauf liefern, was genau passiert, wenn a schwarzes Loch Formen. Unsere Ergebnisse werden in zwei Veröffentlichungen in veröffentlicht Natur und für Astrophysical Journal.
Astronomen glauben sowohl aufgrund von Beobachtungen als auch aus theoretischen Gründen, dass die meisten Schwarzen Löcher entstehen, wenn das Zentrum eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens zusammenbricht. Der Kern des Sterns liefert normalerweise Druck oder Unterstützung, indem er Wärme aus intensiven Kernreaktionen nutzt. Aber sobald der Brennstoff eines solchen Sterns erschöpft ist und die Kernreaktionen aufhören, kollabieren die inneren Schichten des Sterns unter der Schwerkraft nach innen und werden zu einer außergewöhnlichen Dichte zusammengedrückt.
Erstes Bild eines Schwarzen Lochs. Bildnachweis: EHT
Meistens wird dieser katastrophale Zusammenbruch gestoppt, wenn der Kern des Sterns zu einer festen Materiekugel kondensiert, die reich an Teilchen ist, die Neutronen genannt werden. Dies führt zu einer mächtigen Rückprallexplosion, die den Stern zerstört (eine Supernova) und hinterlässt ein exotisches Objekt namens a Neutronenstern. Aber Modelle sterbender Sterne zeigen dass, wenn der ursprüngliche Stern massereich genug ist (40- bis 50-fache Sonnenmasse), der Kollaps einfach unvermindert fortgesetzt wird, bis der Stern in eine gravitative Singularität – ein Schwarzes Loch – zerquetscht wird.
Explosive Theorien
Während Sterne, die zu Neutronensternen kollabieren, mittlerweile routinemäßig im ganzen Universum beobachtet werden (Supernova-Durchmusterungen finden jede Nacht Dutzende neuer Sterne), sind Astronomen noch nicht ganz sicher, was beim Kollaps zu einem Schwarzen Loch passiert. Einige pessimistische Modelle deuten auf den gesamten Stern hin würde spurlos verschluckt werden. Andere vermuten, dass der Kollaps zu einem Schwarzen Loch führen würde eine andere Art von Explosion.
Wenn zum Beispiel der Stern zum Zeitpunkt des Zusammenbruchs rotiert, kann ein Teil des einfallenden Materials in Jets fokussiert werden, die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Stern entweichen. Obwohl diese Jets nicht viel Masse enthalten würden, würden sie einen großen Schlag versetzen: Wenn sie gegen etwas prallen, könnten die Auswirkungen in Bezug auf die freigesetzte Energie ziemlich dramatisch sein.
Bis jetzt war der beste Kandidat für eine Explosion aus der Geburt eines Schwarzen Lochs das seltsame Phänomen, das als lange Dauer bekannt ist Gammastrahlenexplosionen. Diese Ereignisse, die erstmals in den 1960er Jahren von Militärsatelliten entdeckt wurden, sind Hypothesen zufolge auf Jets zurückzuführen, die von neu gebildeten Schwarzen Löchern in kollabierenden Sternen auf verblüffende Geschwindigkeiten beschleunigt wurden. Ein seit langem bestehendes Problem bei diesem Szenario ist jedoch, dass Gammastrahlenausbrüche auch reichlich radioaktive Trümmer ausstoßen, die monatelang weiter leuchten. Dies deutet darauf hin, dass der größte Teil des Sterns nach außen in den Weltraum explodierte (wie bei einer gewöhnlichen Supernova), anstatt nach innen zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren.
Obwohl dies nicht bedeutet, dass bei einer solchen Explosion kein Schwarzes Loch entstanden sein kann, sind einige zu dem Schluss gekommen, dass andere Modelle eine natürlichere Erklärung für Gammastrahlenausbrüche liefern als die Bildung eines Schwarzen Lochs. Zum Beispiel ein supermagnetisierter Neutronenstern könnte sich bei einer solchen Explosion bilden und selbst starke Strahlen erzeugen.
Geheimnis gelüftet?
Meine Kollegen und ich haben jedoch kürzlich ein neues und (unserer Meinung nach) viel besseres Kandidatenereignis für die Erschaffung eines Schwarzen Lochs entdeckt. Bei zwei verschiedenen Gelegenheiten in den letzten drei Jahren – einmal im Jahr 2019 und einmal im Jahr 2021 – wurden wir Zeuge einer außergewöhnlich schnellen und flüchtigen Art von Explosion, die ähnlich wie bei Gammastrahlenausbrüchen von einer kleinen Menge sehr schnell bewegten Materials herrührte in Gas in seiner unmittelbaren Umgebung.
Durch die Verwendung von Spektroskopie – einer Technik, die Licht in verschiedene Wellenlängen zerlegt – konnten wir auf die Zusammensetzung des Sterns schließen, der bei jedem dieser Ereignisse explodierte. Wir entdeckten, dass das Spektrum den sogenannten „Wolf-Rayet-Sternen“ sehr ähnlich war – einem sehr massiven und hochentwickelten Sterntyp, benannt nach den beiden Astronomen Charles Wolf und Georges Rayet, die sie zuerst entdeckten. Spannenderweise konnten wir sogar eine „normale“ Supernova-Explosion ausschließen. Sobald die Kollision zwischen dem schnellen Material und seiner Umgebung aufhörte, verschwand die Quelle praktisch – anstatt lange zu glühen.
Genau das würde man erwarten, wenn der Stern beim Kollaps seines Kerns nur eine kleine Menge Material ausstößt und der Rest des Objekts nach unten in ein riesiges Schwarzes Loch kollabiert.
Die neue Studie beobachtete zwei Ereignisse, die möglicherweise zur dritten Explosionsart gehören und nur kurze Zeit andauerten. Kredit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Dies ist zwar unsere bevorzugte Interpretation, aber nicht die einzige Möglichkeit. Die prosaischste ist, dass es sich um eine normale Supernova-Explosion handelte, aber dass sich bei der Kollision eine riesige Staubhülle bildete, die die radioaktiven Trümmer verdeckte. Es ist auch möglich, dass die Explosion von einem neuen und unbekannten Typ ist und von einem Stern stammt, mit dem wir nicht vertraut sind.
Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir Folgendes tun search für weitere solcher Objekte. Bisher waren solche Explosionen schwer zu untersuchen, da sie flüchtig und schwer zu finden sind. Um diese Explosionen zu charakterisieren, mussten wir schnell hintereinander mehrere Observatorien nutzen: die Zwicky Transient Facility, um sie zu entdecken, das Liverpool Telescope und das Nordic Optical Telescope, um ihre Natur zu bestätigen, sowie große hochauflösende Observatorien (das Hubble-Weltraumteleskop, das Gemini-Observatorium). und das Very Large Telescope), um ihre Zusammensetzung zu analysieren.
Während wir anfangs nicht genau wussten, was wir sahen, als wir diese Ereignisse zum ersten Mal entdeckten, haben wir jetzt eine klare Hypothese: die Geburt eines Schwarzen Lochs.
Weitere Daten von ähnlichen Ereignissen könnten uns bald helfen, diese Hypothese zu bestätigen oder zu widerlegen und die Verbindung zu anderen Arten ungewöhnlicher, schneller Explosionen herzustellen, die unser Team und andere gefunden haben. Wie auch immer, es scheint, dass dies wirklich das Jahrzehnt ist, in dem wir die Geheimnisse der Schwarzen Löcher lüften.
Geschrieben von Daniel Perley, Dozent für Astrophysik, Liverpool John Moores University.
Dieser Artikel wurde zuerst in veröffentlicht Das Gespräch.
