Schwarze Löcher: Mittelklasse auf der Spur

Ende mit besonderer Brillanz: Das Leuchten eines Sterns unter dem tödlichen Bann der “dunklen Gravitationskraft” hat Astronomen einen Hinweis auf ein schwarzes Loch im Inneren einer Zwerggalaxie gegeben. Die Ergebnisse könnten die Grundlage für weitere Suchen nach potenziellen Exemplaren in dieser schwierigen Kategorie bilden. Dies könnte unter anderem helfen, die vermutete Rolle von Zwischenversionen bei der Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher zu untersuchen, sagen Astronomen.

Ihre Schwerkraft verzerrt den Raum so sehr, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Diese erstaunliche Eigenschaft macht Schwarze Löcher zu den faszinierendsten Objekten der Astronomie. Kosmische „Dunkel“ werden entsprechend ihrer Masse in drei Hauptkategorien eingeteilt: Die obersten sind die supermassereichen Riesen mit Hunderttausenden bis Zehnmilliarden Sonnenmassen, die sich in den Zentren großer Galaxien befinden. Die unterste Kategorie sind die sogenannten stellaren schwarzen Löcher, die durch die Supernova-Explosion massereicher Sterne entstehen. Dazwischen liegen bisher rätselhafte Zwischenversionen mit Tausenden von Sonnenmassen, die vermutlich durch Kollisionen entstanden sind. Man nimmt an, dass sie hauptsächlich in Zwerggalaxien vorkommen. Es gibt Kandidaten, aber bisher waren schwarze Löcher schwer zu entdecken.

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Masse im Spiegel des sterbenden Lichts

Der Nachweis von supermassiven Schwarzen Löchern basiert oft auf dem Licht, das von Gasscheiben um Gravitationsriesen emittiert wird. Außerdem fühlen sie sich, wenn sie einen Stern verschlucken, in ihrem „Strudel“ gefangen. Aufgrund der enormen Gravitationskräfte kommt es zu einem sogenannten „Tidal Disruption Event“ (TDE), bei dem der Stern auseinandergerissen wird und sich heftig entzündet. Der Verlauf dieses Strahlungsausbruchs kann Rückschlüsse auf die Masse zulassen, wie dies bereits aus frühen Untersuchungen supermassiver Schwarzer Löcher hervorging. Ein internationales Forscherteam hat diese TDE-Methode nun auf den Fall des Todes eines leuchtenden Sterns angewendet, der sich im Zentrum einer rund 850 Millionen Lichtjahre entfernten Zwerggalaxie ereignete.

Die Eruption wurde im Rahmen des Young Supernova Experiment (YSE) aufgezeichnet, einer Untersuchung verschiedener astronomischer Instrumente zur Erkennung kosmischer Explosionen und vorübergehender astrophysikalischer Ereignisse. Die Forscher berichteten, dass die Daten die Strahlung enthielten, die freigesetzt wurde, als das Schwarze Loch begann, den Stern zu verschlingen, und was als nächstes geschah. Sie erklären, dass die Dauer des Ereignisses die Grundlage für die Berechnungen war. „Vor allem, weil uns die YSE-Daten so viele frühe Informationen über das Ereignis lieferten, konnten wir schließlich Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs ziehen“, sagt Hauptautorin Charlotte Angus vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen.

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Ein Hinweis auf die durchschnittliche Masse

Die Ergebnisse zeigen, dass das Schwarze Loch, das den Stern verschlingt, weniger als eine Million bis etwa 50.000 Sonnenmassen hat. Es könnte also ein schwarzes Loch sein. „Dieses Ergebnis ist signifikant, weil es zeigt, dass wir Gezeitenstörungen nutzen können, um Schwarze Löcher mittlerer Masse in Zwerggalaxien zu finden und zu untersuchen“, sagte Co-Autor Ryan Foley von der University of California, Santa Cruz (UCSC). Dies könnte eine Grundlage für zukünftige Studien über mittelgroße Schwarze Löcher bieten, um diese schwer fassbare Kategorie besser zu verstehen.

Wie die Forscher betonen, ist es nicht nur die Mittelschicht selbst, sondern Astronomen vermuten, dass supermassereiche Schwarze Löcher aus Versionen mit mittlerer Masse entstanden sein könnten. „Eine der derzeit größten unbeantworteten Fragen in der Astronomie ist, wie supermassive Schwarze Löcher entstanden sind“, sagt Co-Autorin Vivienne Baldassare von der Washington State University in Pullman. Es kann sein, dass das frühe Universum voller kleiner Zwerggalaxien mit schwarzen Löchern mittlerer Masse war. Im Laufe der Zeit verschmolzen diese Zwerggalaxien oder wurden von massereicheren Galaxien verschluckt. Dabei könnten ihre Kerne miteinander verschmolzen sein. Dieser Verschmelzungsprozess hätte die ultimativen Giganten hervorgebracht, die wir heute sehen. „Wenn wir die Bevölkerung von Schwarzen Löchern mittlerer Masse verstehen können – wie viele es gibt und wo sie sich befinden – können wir Hinweise darauf erhalten, ob unsere Theorien über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher richtig sind“, sagt Co-Autor Enrico Ramirez. Ruiz von der UCSC.

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Quelle: University of California – Santa Cruz, Zeitschriftenartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-022-01811-y

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