Die energiereichsten Sternkollisionen im Universum
In dichten stellaren Umgebungen können Sterne zusammenstoßen. Befindet sich ein massereiches Schwarzes Loch in der Nähe – wie im Zentrum von Galaxien – können diese Kollisionen so energiereich sein, dass die beiden Sterne bei der Kollision vollständig zerstört werden und nur eine expandierende Gaswolke zurückbleibt. Während die Kollision selbst mehrere Tage lang sehr hell aufleuchtet, könnte es ein noch helleres Aufleuchten über mehrere Monate hinweg geben, wenn die Gaswolke von dem nahen Schwarzen Loch eingefangen wird. Ein Forscherteam unter der Leitung des MPA hat zum ersten Mal Beobachtungsdaten für solch gewaltige Ereignisse mit den beiden hochmodernen, am MPA entwickelten Programmen AREPO und MESA vorausgesagt.
Was sind die energiereichsten Kollisionen zwischen Sternen im Universum? Zu solchen Kollisionen kommt es, wenn sich die Sterne mit hohen Relativgeschwindigkeiten bewegen. Im tiefen Potentialtopf des massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie können Sterne einige Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen (bis zu 10 000 km/s). Die Kollision zweier derart schneller Sterne wäre eine faszinierende Beobachtung, denn das dabei entstehende Aufleuchten könnte mindestens so hell sein wie verschiedene Arten elektromagnetischer Veränderlicher, z. B. Gezeitenzerstörungen oder Supernovae.
Da wir jedoch bisher ihre Beobachtungssignaturen nicht verstanden haben, wurde die Suche nach diesen Hochgeschwindigkeitskollisionen nicht sehr intensiv betrieben. Ein Forschungsteam unter der Leitung eines MPA-Fellows hat nun quantitative Vorhersagen gemacht, wie solche von Schwarzen Löchern angetriebenen Zerstörungen zweier Riesensterne beobachtet werden könnten. Für ihre Analyse verwendete das Team die hochmodernen Simulationsprogramme AREPO und MESA.
Kollision von schnellen Roten Riesensternen
Insbesondere analysierte das Team zwei rote Riesensterne, die mit Geschwindigkeiten zusammenstoßen, die weit über der Fluchtgeschwindigkeit der kollidierenden Sterne liegen. Dies bedeutet, dass die beiden Sterne vollständig zerstört werden. Sehr starke Schocks wandeln einen großen Teil der anfänglichen kinetischen Energie in Wärme um und treiben die entstehende Gaswolke zu einer quasi-sphärischen Ausdehnung.
Zu Beginn bewegen sich die beiden Sterne mit 10 000 km/s aufeinander zu. Beim Zusammenstoß entstehen starke Schocks, wenn das einströmende Gas auf die Druckbarriere trifft. Das Gas prallt ab und dehnt sich mit Überschallgeschwindigkeit quasi-sphärisch aus.
Die maximale Ausdehnungsgeschwindigkeit der Wolke ist größer als die ursprüngliche Relativgeschwindigkeit der Sterne, und die Parameter der Gaswolke hängen ziemlich stark von der Kollisionsgeschwindigkeit ab. Eine Kollision zwischen größeren Sternen, die mit einer höheren Geschwindigkeit zusammenstoßen, führt tendenziell zu einer höheren Umwandlungseffizienz. Wenn die Wärmeenergie aus der Wolke entweicht, kommt es zu einem schnellen Aufleuchten, dessen Spitzenleuchtkraft mit der einer Supernovaexplosion (1041 - 1044 erg/s) vergleichbar ist. Aufgrund der raschen Ausdehnung der Wolke wird dieses Aufleuchten innerhalb von Tagen oder einer Woche sehr schwach.
Die sich ausdehnende Gaswolke interagiert jedoch dann mit dem nahen Schwarzen Loch. Die Akkretion des durch die Schwerkraft eingefangenen Gases erzeugt eine zweites Aufleuchten, das sogar heller sein und viel länger andauern könnte als das erste Aufleuchten. Diese erhöhte Leuchtkraft kann bis zu zehn Jahre lang aufrechterhalten werden.
Diese einzigartigen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung machen solche Ereignisse zu einem vielversprechenden Nachweis für die Existenz „schlafender“ Schwarzer Löcher. Darüber hinaus wäre das Wachstum von Schwarzen Löchern durch die Akkretion von Kollisionsprodukten ein weiterer Ansatzpunkt für den Wachstumsmechanismus von Schwarzen Löchern bei hohen Rotverschiebungen.
