Wenn MIT und Caltech gemeinsam in die Sterne schauen: Zum ersten Mal haben Forschende ein Dreifachsystem entdeckt, bei dem zwei Sterne ein zentrales Schwarzes Loch umkreisen. Dieses außergewöhnliche „Schwarzes-Loch-Trio“ könnte durch einen sanften direkten Kollaps entstanden sein, der sich von der gängigen Supernova-Theorie unterscheidet. Diese Entdeckung stellt bisherige Vorstellungen infrage und könnte zu neuen Erkenntnissen über die Entwicklung von Schwarzen Löchern führen.
Die Entdeckung des Schwarzen-Loch-Trios
In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie beschreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Beobachtung eines Dreifachsystems, das ein zentrales Schwarzes Loch, einen nahen Stern und einen weit entfernten zweiten Stern umfasst. Der nahe Stern umkreist das Schwarze Loch alle 6,5 Tage und wird dabei langsam von ihm verschlungen. Dies ähnelt den bekannten binären Systemen, in denen das Schwarze Loch Materie von seinem Begleiter aufnimmt. Doch was das System so außergewöhnlich macht, ist der zweite Stern, der das Schwarze Loch in einer unglaublich großen Entfernung umkreist – sein Orbit dauert rund 70.000 Jahre.
Diese Entdeckung wirft grundlegende Fragen zur Entstehung von Schwarzen Löchern auf. „Die Tatsache, dass das Schwarze Loch in der Lage ist, ein so weit entferntes Objekt gravitativ zu binden, ist äußerst ungewöhnlich“, sagt Kevin Burdge, Hauptautor der Studie und Pappalardo-Stipendiat am MIT. Wie konnte dieses Trio überhaupt entstehen, wenn Schwarze Löcher gewöhnlich durch die extremen Explosionen von Supernovae gebildet werden?
Ein sanfter Kollaps statt einer Supernova?
Normalerweise entstehen Schwarze Löcher aus dem dramatischen Tod eines massereichen Sterns – einer Supernova. Diese Explosion setzt eine immense Menge an Energie frei, die alles in der Umgebung wegschleudern sollte, was nicht fest gebunden ist. Im Fall des Schwarzen-Loch-Trios bleibt jedoch ein weit entfernter Stern in der Nähe, was die Forschenden dazu veranlasst, alternative Erklärungen zu untersuchen.
Eine mögliche Erklärung ist, dass dieses Schwarze Loch nicht durch eine Supernova entstanden ist, sondern durch einen „direkten Kollaps“. In diesem Szenario kollabiert ein Stern direkt in ein Schwarzes Loch, ohne eine massive Explosion auszulösen. Dies würde erklären, warum der äußere Stern nicht durch eine Supernova weggeschleudert wurde. „Diese Entdeckung stellt die gängigen Vorstellungen über die Entstehung von Schwarzen Löchern infrage“, erklärt Burdge. „Es könnte darauf hindeuten, dass direkte Kollaps-Ereignisse häufiger vorkommen, als bisher angenommen.“
Was macht diese Entdeckung so einzigartig?
Dreifachsysteme sind im Universum keine Seltenheit. Doch ein Schwarzes-Loch-Trio zu entdecken, ist eine Premiere. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die beiden Sterne und das Schwarze Loch durch Zufall gemeinsam bewegen, liegt bei 1 zu 10 Millionen. Dies bestätigt, dass sie gravitativ miteinander verbunden sind.
Die Entdeckung dieses Systems gelang den Forschenden durch den Einsatz des Online-Tools Aladin Lite, einer Datenbank, die astronomische Beobachtungen aus der ganzen Welt sammelt. Das Team war auf der Suche nach neuen Schwarzen Löchern in der Milchstraße, als sie auf das System V404 Cygni stießen, ein bereits gut untersuchtes Schwarzes Loch in etwa 8000 Lichtjahren Entfernung. Die optischen Aufnahmen zeigten zwei Lichtquellen, von denen eine der innere Stern war, der das Schwarze Loch umkreist. Die zweite Lichtquelle blieb jedoch unerklärt.
Durch die Analyse der Daten des Gaia-Satelliten, der die Bewegungen von Sternen im Weltraum erfasst, konnte das Team bestätigen, dass die beiden Sterne und das Schwarze Loch gravitativ miteinander verbunden sind. Diese Erkenntnis ist bahnbrechend, da sie den Nachweis für das erste Schwarze-Loch-Trio liefert.
Simulationen offenbaren den direkten Kollaps
Um zu verstehen, wie sich ein solches System bilden konnte, führten die Physikerinnen und Physiker Simulationen durch. Sie untersuchten verschiedene Szenarien, in denen ein Stern entweder durch eine Supernova oder einen direkten Kollaps zu einem Schwarzen Loch wird. Die Ergebnisse zeigen, dass das Schwarze-Loch-Trio höchstwahrscheinlich durch einen direkten Kollaps entstanden ist, da bei einer Supernova der äußere Stern hätte weggeschleudert werden müssen.
„Die meisten unserer Simulationen unterstützen die Theorie des direkten Kollapses“, erklärt Burdge. „Dies ist der einfachste Weg, um zu erklären, wie der äußere Stern noch immer gravitativ an das Schwarze Loch gebunden sein kann.“ Diese Erkenntnis könnte auch weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis der Entstehung von Schwarzen Löchern haben.
Der äußere Stern liefert nicht nur Hinweise auf die Entstehung des Schwarzen Lochs, sondern auch auf das Alter des gesamten Systems. Der Stern befindet sich in einer Phase, in der er bald zu einem Roten Riesen wird, was auf ein Alter von etwa 4 Milliarden Jahren hindeutet. Diese Altersangabe legt nahe, dass das Schwarze-Loch-Trio bereits seit 4 Milliarden Jahren existiert.
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