Forschende enthüllen das Geheimnis der Entstehung schwarzer Löcher

Astronomen haben festgestellt, dass der explosive Untergang von schweren Sternen direkt mit der Bildung von extrem dichten und geheimnisvollen Objekten im Universum verbunden ist, nämlich schwarzen Löchern und Neutronensternen. Mithilfe des Very Large Telescope (VLT) und des New Technology Telescope (NTT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) beobachteten zwei Forscherteams die Auswirkungen einer Supernova-Explosion in einer benachbarten Galaxie und entdeckten Hinweise auf das rätselhafte, dichte Objekt, das nach der Explosion zurückblieb.

Vom kollabierenden Stern zum schwarzen Loch

Wenn schwere Sterne ihr Lebensende erreichen, kollabieren sie durch ihre eigene Schwerkraft derart rasant, dass eine intensive Explosion namens Supernova entsteht. Fachleute in der Astronomie vermuten, dass nach dieser gewaltigen Explosion lediglich der hochverdichtete Kern oder der verbleibende kompakte Rest des Sterns zurückbleibt. Abhängig von der ursprünglichen Masse des Sterns kann dieser Überrest entweder als Neutronenstern identifiziert werden – ein so dichtes Objekt, dass ein winziger Teil davon auf der Erde ein enormes Gewicht von etwa einer Billion Kilogramm hätte – oder als schwarzes Loch – eine Region, aus der selbst Licht nicht entweichen kann.

Obwohl Astronomen bereits früher auf Indizien für diese Abfolge von Ereignissen gestoßen sind, wie zum Beispiel den Neutronenstern im Krebsnebel, der nach der Supernova eines Sterns vor etwa tausend Jahren entstanden ist, konnten sie diesen Prozess bisher noch nie in Echtzeit beobachten. Daher war es eine Herausforderung, direkte Belege für eine Supernova und den daraus resultierenden kompakten Überrest zu finden. „In unserer Arbeit stellen wir eine solche direkte Verbindung her“, sagte Ping Chen, Forscher am Weizmann Institute of Science, Israel, und Hauptautor einer Studie.

Die Entdeckung von Supernova SN 2022jli

Im Mai 2022 hatten Wissenschaftler das Glück, als der Hobbyastronom Berto Monard aus Südafrika die Supernova SN 2022jli im Spiralarm der Galaxie NGC 157, die 75 Millionen Lichtjahre entfernt ist, identifizierte. Zwei unterschiedliche Forscherteams analysierten die Konsequenzen dieser Supernova-Explosion und stellten fest, dass sie ein ungewöhnliches Verhalten aufzeigt.

Normalerweise zeigt die Helligkeit von den meisten Supernovae nach der Explosion einen stetigen Rückgang; in der „Lichtkurve“ der Explosion erkennen Astronomen einen gleichmäßigen, langsamen Abstieg. Das Verhalten von SN 2022jli ist hingegen sehr ungewöhnlich: Während die Gesamthelligkeit sinkt, geschieht dies nicht kontinuierlich, sondern es gibt etwa alle 12 Tage Schwankungen im Helligkeitsverlauf. „In den Daten von SN 2022jli sehen wir eine sich wiederholende Abfolge von Aufhellung und Abschwächung“, erklärt Thomas Moore, ein Doktorand an der Queen’s University Belfast in Nordirland. Dies sei das erste Mal, dass wiederholte periodische Oszillationen über viele Zyklen hinweg in der Lichtkurve einer Supernova nachgewiesen wurden.

Das Überleben des Begleitsterns nach der Supernova

Sowohl das Forschungsteam um Moore als auch das um Chen schließen daraus, dass die Anwesenheit von mehr als einem Stern im System SN 2022jli das beobachtete Verhalten erklären könnte. Es ist tatsächlich nicht ungewöhnlich, dass massereiche Sterne in einem sogenannten Doppelsternsystem mit einem Begleitstern in Umlauf sind, und der Stern, der die Supernova SN 2022jli verursachte, bildet hier keine Ausnahme. Das Besondere an diesem System besteht jedoch darin, dass der Begleitstern offenbar den gewaltsamen Tod seines Partners überlebt hat und es wahrscheinlich ist, dass die beiden Objekte, der kompakte Überrest und der Begleiter, weiterhin in einer Umlaufbahn miteinander verbunden sind.

Geheimnis der periodischen Lichtkurvenschwankungen und die wasserstoffreiche Hülle des Begleitsterns

Die Forschungsdaten der Gruppe um Moore, einschließlich der Beobachtungen mit dem NTT der ESO in der Atacama-Wüste in Chile, lieferten ihnen nicht genug Informationen, um präzise festzustellen, wie die Interaktion der beiden Objekte die periodischen Schwankungen in der Lichtkurve verursachte. Allerdings konnte die Chen-Gruppe weitere Beobachtungen anstellen. Sie identifizierten dieselben regelmäßigen Helligkeitsschwankungen im System, die auch von Moores Team festgestellt wurden, und stellten zudem periodische Bewegungen von Wasserstoffgas sowie Ausbrüche von Gammastrahlen im System fest. Für ihre Beobachtungen nutzten sie verschiedene Messinstrumente sowohl auf der Erde als auch im Weltraum, einschließlich des X-Shooters am VLT der ESO, der sich ebenfalls in der chilenischen Atacama-Wüste befindet.

Beide Forscherteams stimmen überein, dass die wasserstoffreiche Hülle des Begleitsterns sich ausdehnte, als sie mit dem bei der Supernovaexplosion freigesetzten Material interagierte. Wenn das verbleibende kompakte Objekt der Explosion seinen Orbit durch die Atmosphäre des Begleitsterns vollzog, entzog es diesem Wasserstoffgas und formte eine heiße Materiescheibe um sich herum. Dieser zyklische Prozess der Materieansammlung, auch Akkretion genannt, setzte erhebliche Energiemengen frei, die sich in den Beobachtungen als periodische Helligkeitsschwankungen manifestierten.

Obwohl die Teams keinen direkten Nachweis für das kompakte Objekt erbringen konnten, kamen sie zu dem Entschluss, dass dieser Energieentzug nur durch einen unsichtbaren Neutronenstern oder eventuell ein schwarzes Loch verursacht werden könnte, das Materie aus der expandierenden Atmosphäre des Begleitsterns anzieht. „Unsere Forschung ist wie das Lösen eines Puzzles, indem wir alle möglichen Beweise zusammentragen“, resümiert Chen. „All diese zusammengesetzten Teile führen zur Erkenntnis.“