Warum verschwinden Sterne auf mysteriöse Weise vom Nachthimmel?

Ein technischer Eindruck des VTFS 243-Binärsystems. Bildnachweis: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Astrophysiker der Universität Kopenhagen helfen bei der Erklärung eines mysteriösen Phänomens, bei dem Sterne plötzlich vom Nachthimmel verschwinden. Ihre Untersuchung eines ungewöhnlichen Doppelsternsystems hat überzeugende Beweise dafür erbracht, dass massereiche Sterne vollständig kollabieren und zu Schwarzen Löchern werden können, ohne dass es zu einer Supernova-Explosion kommt.

Eines Tages wird sich der Stern im Zentrum unseres Sonnensystems, die Sonne, auszudehnen beginnen, bis er die Erde verschlingt. Dann wird es zunehmend instabil, bis es schließlich zu einem kleinen, dichten Körper schrumpft, der als a bezeichnet wird weißer Zwerg.

Wenn die Sonne jedoch etwa achtmal oder mehr massereich wäre, würde sie wahrscheinlich in einer gewaltigen Explosion explodieren – in Form einer Supernova. Sein Zusammenbruch wird eine Explosion verursachen, die Energie und Masse mit enormer Wucht in den Weltraum schleudert, bevor eine riesige Energiemasse zurückbleibt. Neutronenstern Oder ein schwarzes Loch in seinem Kielwasser.

Während dies grundlegendes Wissen darüber ist, wie massereiche Sterne sterben, gibt es noch viel über den Sternenhimmel darüber und den spektakulären Tod dieser Sterne im Besonderen zu verstehen.

Das Doppelsternsystem VFTS 243 befindet sich in der Zwerggalaxie „Große Magellansche Wolke“ in der Nähe der Milchstraße. Die Magellanschen Wolken sind Satellitengalaxien der Milchstraße. Diese Zwerggalaxien, die das galaktische Zentrum umkreisen, sind nur von der südlichen Hemisphäre aus zu sehen. Hier sind sie über den Hilfsteleskopen des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte im Paranal, Chile, zu sehen. Bildnachweis: JC Muñoz/ESO

Neue Forschungen von Astrophysikern am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen liefern den bislang stärksten Beweis dafür, dass sehr massereiche Sterne viel stärker getarnt und geheim gehalten werden können als Supernovae. Tatsächlich deuten ihre Untersuchungen darauf hin, dass die Schwerkraft eines Sterns bei ausreichender Masse so stark sein könnte, dass es bei seinem Tod nicht zu einer Explosion kommen würde. Alternativ könnte der Stern einen sogenannten vollständigen Kollaps erleiden.

„Wir glauben, dass der Kern eines Sterns unter seinem eigenen Gewicht kollabieren könnte, wie es bei massereichen Sternen in der letzten Phase ihres Lebens der Fall ist, aber anstatt dass der Kollaps in einer hellen Supernova-Explosion gipfelt, die seine Galaxie mehr als achtmal überstrahlt.“ Es wird erwartet, dass die Masse existiert.“ Sonne, der Kollaps geht weiter, bis der Stern zu einem Stern wird. schwarzes Loch„Erklärt Erstautor Alejandro Vigna-Gomez, der zu Beginn dieser Studie Postdoktorand am Niels-Bohr-Institut war.

Fakten und Mythen: Verschwindende Sterne

In der Neuzeit gab es viele Beobachtungen darüber Sterne, die unerklärlich verschwinden.

„Eine Umfrage über nichts.“ Unter der Leitung des Astrophysikers Chris Kochanek ist es ein Beispiel für eine Forschungsanstrengung, die aktiv nach verschwindenden Sternen und Erklärungen für ihr Verschwinden sucht.

Der neugierige Leser kann sich auch in die historischen Beschreibungen vertiefen. Es hat oft etwas mit dem plötzlichen Verschwinden heller Sterne zu tun, was mit Supernova-Szenarien übereinstimmt. Aber es gibt auch andere Geschichten über Sterne, die plötzlich verschwinden, wie zum Beispiel den griechischen Mythos, der mit dem Sternhaufen der Plejaden, den sogenannten Sieben Schwestern, in Verbindung gebracht wird. Der Mythos der Plejaden beschreibt die sieben Töchter des Riesen Atlas und der Nymphe Pleione. Der Legende nach heiratete eine ihrer Töchter einen Menschen und tauchte unter, was eine sehr unwissenschaftliche, aber schöne Erklärung dafür liefert, warum wir nur… sehen. Sechs Sterne in den Plejaden.

Diese Entdeckung steht im Zusammenhang mit dem Phänomen des Verschwindens von Sternen, das in den letzten Jahren das Interesse der Astronomen geweckt hat, und könnte ein klares Beispiel und eine vernünftige wissenschaftliche Erklärung für Phänomene dieser Art liefern.

„Wenn man dastehen und auf einen sichtbaren Stern starren würde, der völlig zusammenbricht, könnte es mit der Zeit so sein, als würde man zusehen, wie ein Stern plötzlich erlischt und vom Himmel verschwindet. Der Zusammenbruch war so vollständig, dass es zu keiner Explosion kam, nichts entkam und man sehen würde Keine Supernova hell am Nachthimmel. Astronomen haben bereits kürzlich das plötzliche Verschwinden heller Sterne bemerkt. „Wir können uns eines Zusammenhangs nicht sicher sein, aber die Ergebnisse, die wir aus der Analyse von VFTS 243 erhalten haben, haben uns einer verlässlichen Erklärung viel näher gebracht.“ sagt Alejandro Vigna-Gómez.

Ein Blick vom Webb-Weltraumteleskop auf den Tarantelnebel, wo sich VTFS 243 befindet. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA und STScI

Ein ungewöhnliches Sternensystem ohne Anzeichen einer Explosion

Anlass für die Entdeckung war die jüngste Beobachtung eines ungewöhnlichen Doppelsternsystems am Rande unserer Galaxie namens VFTS 243. Hier umkreisen sich ein massereicher Stern und ein Schwarzes Loch, das etwa zehnmal größer als unsere Sonne ist.

Wissenschaftler wissen, dass es solche Doppelsternsysteme im Universum gibt Milchstraße Jahrzehntelang verwandelte sich ein Stern in ein Schwarzes Loch. Aber die jüngste Entdeckung von VFTS 243, jenseits der Milchstraße in der Großen Magellanschen Wolke, ist wirklich etwas Besonderes.

Fakten: Schwarze Löcher

Nicht einmal Licht kann aus Schwarzen Löchern entkommen. Daher können sie nicht direkt beobachtet werden. Einige Schwarze Löcher sind jedoch aufgrund der großen Energiemengen erkennbar, die von den sie umkreisenden Gasen freigesetzt werden. Andere, wie im Fall von VFTS 243, können anhand ihres Einflusses auf die Sterne beobachtet werden, die sie umkreisen.

Im Allgemeinen glauben Astronomen, dass es drei Arten von Schwarzen Löchern gibt:

Stellare Schwarze Löcher – wie das in VFTS 243 – entstehen, wenn Sterne mit einer Masse von mehr als dem Achtfachen der Sonnenmasse kollabieren. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es allein in unserer Galaxie bis zu 100 Millionen davon geben könnte.

Supermassereiche Schwarze Löcher – 100.000 bis 10 Milliarden Sonnenmassen – existieren vermutlich im Zentrum fast aller Galaxien. Sagittarius A* ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

Schwarze Löcher mittlerer Masse (IMBH) – 100 bis 100.000 Mal so groß wie die Masse unserer Sonne – waren lange Zeit das fehlende Glied. In den letzten Jahren sind eine Reihe glaubwürdiger Kandidaten aufgetaucht.

Es gibt auch Theorien, die andere Arten von Schwarzen Löchern beschreiben, die noch nicht entdeckt wurden. Eines dieser Löcher, sogenannte primordiale Schwarze Löcher, soll sich zu Beginn des Universums gebildet haben und könnte theoretisch mikroskopisch klein sein.

„Normalerweise können Supernova-Ereignisse in Sternsystemen nach ihrem Auftreten auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Aber trotz der Tatsache, dass VFTS 243 einen Stern enthält, der in ein Schwarzes Loch kollabiert ist, wurden nirgendwo Spuren einer Explosion gefunden „Die Umlaufbahn des Systems hat sich kaum verändert, seit der Stern in ein Schwarzes Loch kollabiert ist“, sagt Alejandro Vigna-Gomez.

Die Forscher analysierten Beobachtungsdaten auf eine Reihe von Anzeichen, die von einem Sternensystem zu erwarten sind, in dem es in der Vergangenheit zu einer Supernova-Explosion kam. Im Allgemeinen finden sie Beweise für ein solches Ereignis einfach und nicht überzeugend.

Das System zeigt keine Anzeichen eines signifikanten „Geburtskicks“, also der Beschleunigung von Orbitalobjekten. Außerdem ist er sehr symmetrisch, seine Umlaufbahn ist nahezu perfekt kreisförmig, und verbleibende Anzeichen einer Energiefreisetzung während des Kernkollapses des vorherigen Sterns deuten auf eine Energieart hin, die mit einem vollständigen Kollaps vereinbar ist.

„Unsere Analyse weist eindeutig darauf hin, dass sich das Schwarze Loch in VFTS 243 wahrscheinlich sofort gebildet hat, wobei die Energie hauptsächlich durch Neutrinos verloren ging“, sagt Professorin Irene Tambora vom Niels-Bohr-Institut, die ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Ein Referenzsystem für zukünftige Studien

Laut Professor Tambora eröffnet VFTS 243 die Möglichkeit, eine Reihe astrophysikalischer Theorien und Modellrechnungen mit tatsächlichen Beobachtungen zu vergleichen. Sie geht davon aus, dass das Sternensystem für die Untersuchung der Entwicklung und des Zusammenbruchs von Sternen wichtig sein wird.

„Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass VFTS 243 der bisher beste beobachtbare Fall der Theorie von stellaren Schwarzen Löchern ist, die durch vollständigen Kollaps entstehen, wobei die Supernova-Explosion, die unsere Modelle gezeigt haben, möglicherweise scheitert. Es ist ein wichtiger realer Test für diese Modelle.“ „Wir erwarten auf jeden Fall, dass das System als entscheidender Maßstab für zukünftige Forschungen zur Sternentwicklung und zum Kollaps dient.“

Zusätzliche Informationen: Fehlender „Geburtskick“ und andere (fehlende) Anzeichen einer Supernova

Der „Geburtskick“ ist nicht da

Die heftigen Kräfte der Supernova wirken sich aufgrund der asymmetrischen Materieemission während der Explosion direkt auf die neugeborenen Neutronensterne oder die zurückbleibenden Schwarzen Löcher aus. Dies bezeichnen Forscher als „Geburtskick“. Dieser Tritt bewirkt, dass der komprimierte Körper beschleunigt. Der Geburtsstoß verleiht Neutronensternen typischerweise eine messbare Geschwindigkeit zwischen 100 und 1.000 Kilometern pro Sekunde. Bei Schwarzen Löchern wird erwartet, dass die Geschwindigkeit geringer ist, aber sie ist immer noch signifikant.

Da das Schwarze Loch in VFTS 243 auf etwa 4 km/s beschleunigt zu sein scheint, gibt es keine Anzeichen dafür, dass es einen größeren Geburtsstoß erhalten hat, wie man es erwarten würde, wenn es eine Supernova erlebt hätte.

Ebenso zeigt die Symmetrie der Umlaufbahn eines Sternensystems normalerweise Anzeichen dafür, dass es aufgrund des auftretenden Materieausstoßes die Auswirkungen einer heftigen Supernova-Explosion gespürt hat. Stattdessen fanden die Forscher Symmetrie.

„Die Umlaufbahn des VFTS ist nahezu kreisförmig und unsere Analyse zeigt, dass es während des Zusammenbruchs keine Anzeichen einer signifikanten Asymmetrie gibt. Dies deutet wiederum darauf hin, dass es keine Explosion gab“, sagt Alejandro Vigna Gomez.

Energieexplosion

Durch die Analyse der Umlaufbahn des Doppelsternsystems konnte das Team auch die Menge an Masse und Energie berechnen, die bei der Entstehung des Schwarzen Lochs freigesetzt wurde.

Ihre Schätzungen passen zu einem Szenario, in dem der kleinere Stoß, der beim Sternkollaps auftrat, nicht durch baryonische Materie, zu der Neutronen und Protonen gehören, sondern durch sogenannte Neutrinos verursacht wurde. Neutrinos haben eine sehr geringe Masse und interagieren nur sehr schwach. Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, dass das System nicht explodiert ist.

Referenz: „Constrains on natal neutrino kicks from the binary black hole VFTS 243“ von Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar und Thomas M. . Torres, 9. Mai 2024, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

Die folgenden Forscher haben an der Forschung mitgewirkt:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

Die Forscher gehören mehreren Forschungseinrichtungen an:

• Niels Bohr Institut, Universität Kopenhagen – International Academy und Dark
• Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Deutschland
• Institut für Astronomie, Universität Leuven, Leuven, Belgien
• Fakultät für Physik und Astronomie, Monash University, Clayton, Australien
• ARC-Kompetenzzentrum für Gravitationswellenerkennung, Osgraph, Australien
• Zentrum für Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA
• Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA
• Abteilung für Astronomie, Universität von WashingtonSeattle, USA
• Technische Universität München, TUM Fakultät für Naturwissenschaften, Fachbereich Physik, Garching, Deutschland
• Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland
• Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Tel Aviv, Tel Aviv, Israel
• Universität Aalborg, Aalborg, Dänemark