Schwarze Löcher, die immer wieder dieselben Sterne verschlingen? XMM-Newton spioniert sie aus!
Zwei Astronomenteams haben mit dem ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton wiederholte Lichtausbrüche von inaktiven Schwarzen Löchern beobachtet, die immer wieder Sterne teilweise zerstören. Diese Entdeckung ist überraschend, da Ausbrüche von Schwarzen Löchern normalerweise nur einmal auftreten, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt.
Bild: ESA/D. Ducros
Supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Ihre Masse reicht vom Hunderttausend- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotzdem sind Schwarze Löcher schwer zu untersuchen und bleiben geheimnisvoll, da sie Licht einfangen und nur schwer zu entdecken sind.
Ein verstecktes supermassereiches Schwarzes Loch kann aufgedeckt werden, wenn ein Stern auf seiner Umlaufbahn zu nahe an das Schwarze Loch herankommt. Der Stern wird durch starke Gezeitenkräfte auseinandergerissen und bildet eine Scheibe aus Sterntrümmern, von der sich das Schwarze Loch ernährt. Während dieses Vorgangs, der als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörungsereignis) bezeichnet wird, können energiereiche Röntgen-, UV-, optische und Radiostrahlung nachgewiesen werden.
Nicht komplett zerstört
Typische Gezeitenstörungsereignisse zeichnen sich durch einen hellen Lichtausbruch aus, der als "Flare" bezeichnet wird. Er dauert einige Monate an, während derer das Schwarze Loch den Stern verschlingt. Mit XMM-Newton wurden jedoch zwei neue Flares mit eigenartigem Verhalten beobachtet. Diese Flares leuchten nach dem ersten Ausbruch wiederholt hell im Röntgen- und UV-Licht, was darauf hindeutet, dass die Sterne bei der ersten Begegnung mit den Schwarzen Löchern nicht vollständig zerstört wurden.
Die von den Astronomen Thomas Wevers von der Europäischen Südsternwarte und Zhu Liu vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleiteten Studien zeigen, dass ein Teil der Sterne den ersten Angriff der schwarzen Löcher überlebt haben könnte. Die Röntgen- und UV-Daten deuten darauf hin, dass Teile der Sterne nicht vollständig verschlungen werden. Sie setzen ihre Umlaufbahn fort und treffen erneut auf das zerstörerische Schwarze Loch, was zu wiederkehrenden Flares führt. Diese Aktivität wird als partielles Gezeitenstörungsereignis bezeichnet.
Die Forschenden fanden wiederholte Flares in zwei verschiedenen Galaxien, die supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Galaxien liegen weit außerhalb der Milchstraße in Entfernungen von fast 900 Millionen Lichtjahren und einer Milliarde Lichtjahren.
Eines der erneuten Helligkeitsereignisse mit der Bezeichnung eRASSt J045650.3-203750 wurde vom Röntgenteleskop eROSITA an Bord der Mission Spectrum-Roentgen-Gamma entdeckt. XMM-Newton-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022, die von einem Team unter der Leitung von Zhu Liu durchgeführt wurden, ergaben, dass auf den ursprünglichen Flare wiederholte Ausbrüche etwa alle 223 Tage folgten.
Zhu Liu erklärt: "Die Ergebnisse unserer ersten XMM-Newton-Beobachtung waren überraschend. Das Schwarze Loch zeigte eine ungewöhnlich starke Abschwächung des Röntgenlichts im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als es zwei Wochen zuvor vom eROSITA-Teleskop entdeckt worden war. Nachfolgende Beobachtungen mit XMM-Newton und anderen Instrumenten bestätigten unsere Vermutungen, dass dieses Verhalten durch ein partielles Gezeitenstörungsereignis verursacht wurde."
Das andere Gezeitenstörungsereignis mit der Bezeichnung AT2018fyk wurde vom All-Sky Automated Survey for Supernovae-Projekt entdeckt. Sie leuchtete mindestens 500 Tage lang hell im UV- und Röntgenbereich, gefolgt von einer plötzlichen Abschwächung. Im Mai 2022 untersuchten Thomas Wevers und sein Team mit XMM-Newton einen starken Anstieg der Röntgen- und UV-Helligkeit 1200 Tage nach seinem ersten Auftreten.
Zurück auf Start
"Zunächst waren wir völlig verunsichert, was die Aufhellung bedeuten könnte. Wir mussten praktisch nochmal von vorn anfangen, um alle möglichen Erklärungen für das beobachtete Verhalten zu prüfen. Es war ein sehr aufregender Moment, als wir erkannten, dass das Modell eines sich wiederholenden Gezeitenstörungsereignisses die beobachteten Daten reproduzieren konnte", fügt Wever hinzu.
Eine Videoanimation des partiellen Gezeitenstörungsereignisses AT2018fyk veranschaulicht das Modell: Ein Schwarzes Loch zerstört wiederholt einen Stern.
nsgesamt wurden über fünf Tage lang Beobachtungen mit XMM-Newton durchgeführt, um die Veränderung des Röntgenlichts dieser Quellen zu verfolgen. Die extrem empfindliche European Photon Imaging Camera an Bord von XMM-Newton half dabei, das heiße Material, das die Schwarzen Löcher umgibt, im Detail zu untersuchen.
William Alston, ESA Research Fellow, erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: "Diese neuen Beobachtungen sind unglaublich interessant für die Untersuchung des Einflusses supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei typischen Gezeitenstörungsereignissen erwarten wir erst in einigen tausend Jahren einen zweiten Flare. Da sich die Flares so schnell wiederholen, muss die Umlaufbahn des zerstörten Sterns eng an das supermassereiche Schwarze Loch gebunden gewesen sein. Diese neuen Studien deuten darauf hin, dass der zerstörte Stern in eine enge Umlaufbahn gezogen wird, nachdem er durch das zentrale supermassereiche Schwarze Loch aus einem Doppelsternsystem herausgerissen wurde."
Die Teams, die die neue Entdeckung gemacht haben, sind weltweit verteilt - neben XMM-Newton und eROSITA sind an den Studien auch andere Missionen beteiligt, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und die Nutzlast der Neutron Star Interior Composition Explorer Mission auf der Internationalen Raumstation. Die Zusammenarbeit ermöglichte es, diese beispiellosen kosmischen Ereignisse zu beobachten, zu modellieren und bis ins kleinste Detail zu verstehen.
Gewöhnlich dunkel und ruhig
Einige Galaxien sind ständig aktiv und stoßen Flares aus, da das supermassive Schwarze Loch ständig gasförmige Materie in seine Umlaufbahn zieht. Die beiden neuen von XMM-Newton beobachteten Ereignisse stammen jedoch von Schwarzen Löchern, die normalerweise dunkel und ruhig sind, bis sich ein Stern nähert. Es ist das erste Mal, dass mit diesen beiden Ereignissen wiederholte Lichtausbrüche aus inaktiven Galaxien nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Studien werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics und The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Seit ihrer Entdeckung in den 1990er Jahren wurden fast 100 Ereignisse von Gezeitenstörungen beobachtet. Die XMM-Newton-Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen sind entscheidend, um mehr über die ansonsten schwer zu beobachtenden supermassereichen Schwarzen Löcher zu erfahren, die im Zentrum großer Galaxien wie der unseren liegen.
Beide partiellen Gezeitenstörungsereignissen werden während der vorhergesagten Zeiträume künftiger Aufhellungsepisoden genau beobachtet, um die Ergebnisse zu bestätigen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Es kann sein, dass die Beobachter mit Stille konfrontiert werden, was darauf hindeutet, dass der Stern in der vorangegangenen Episode mit Flares völlig verschluckt wurde. Diesen Ereignissen stehen turbulente Zeiten bevor - und die Jagd nach ähnlichen partiellen Gezeitenstörungsereignissen beginnt.