Gravitationswellen von Sternen, die Materie an supermassereiche Schwarze Löcher verlieren?
Stellen Sie sich einen Stern vor, der nicht in einer feurigen Explosion in ein supermassereiches Schwarzes Loch stürzt, sondern es umkreist und sich seinem Horizont langsam immer weiter nähert. Dies ist die Geschichte eines Unterriesensterns, der von einem Schwarzen Loch mit einer Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen seiner Wasserstoffschicht beraubt wird. Übrig bleibt ein Heliumkern, der aufgrund der Emission starker Gravitationswellen langsam angezogen wird. Schließlich kann er so nah an das supermassereiche Schwarze Loch herangezogen werden, dass er zu einer vielversprechenden, beobachtbaren Gravitationswellenquelle für den zukünftigen Detektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) wird. Ein Team am MPA hat dieses Szenario untersucht.
Entstehung des Systems
Oben links: Ein Doppelstern tritt in die Hill-Sphäre des supermassereichen Schwarzen Lochs ein und wird zerstört. Ein Stern wird auf eine exzentrische Umlaufbahn gebracht, der andere als Hypervelocity-Stern ausgestoßen.
Oben rechts: Die Umlaufbahn des eingefangenen Sterns schrumpft und wird durch Gravitationswellenemission zirkularisiert.
Unten links: Der Unterriese beginnt mit einem stabilen Massentransfer auf das supermassereiche Schwarze Loch.
Unten rechts: Nach dem Verlust seiner Wasserstoffhülle nähert sich der kompakte Kern dem Schwarzen Loch durch Gravitationswellenemission und wird schließlich zu einer lauten LISA-Quelle.
Die Geschichte beginnt mit zwei Sternen in einem Doppelsternsystem, die einem supermassereichen Schwarzen Loch zu nahe kommen. Die starke Gravitation des Schwarzen Lochs zerreißt sie durch den sogenannten Hills-Mechanismus (siehe Abbildung 1): Ein Stern wird mit unglaublicher Geschwindigkeit weggeschleudert (ein sogenannter Hypergeschwindigkeitsstern), während der andere Stern eingefangen wird und das Schwarze Loch auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn umkreist. Liegt der Abstand des eingefangenen Sterns in einem bestimmten Bereich, führen Gravitationswellen zu einer allmählichen Zirkularisierung und einer immer engeren Umlaufbahn (siehe Abb. 1). Infolgedessen beginnt der Stern schließlich, auf einer relativ kreisförmigen Umlaufbahn Masse auf das supermassereiche Schwarze Loch zu übertragen.
Handelt es sich bei dem eingefangenen Stern um einen sogenannten Unterriesen, der sich kurz nach seiner Hauptreihenphase (dem Ende des Wasserstoffbrennens in seinem Kern) befindet, hat er bereits einen Heliumkern entwickelt. Ein solcher Stern kann seine äußeren Schichten an das Schwarze Loch verlieren und langsam, aber stetig Masse abgeben, bis nur noch sein heliumreicher Kern übrig bleibt (siehe Abb. 1).
Eine langsame, stetige Spirale nach innen
Im Gegensatz zu den dramatischen Ereignissen aufgrund der Gezeitenkräfte, die häufig in Galaxienzentren beobachtet werden und bei denen ein Stern auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn sehr schnell auseinandergerissen wird, verläuft der in dieser Studie untersuchte Massenübertragungsprozess über mehrere Hunderttausend oder Millionen von Jahren. Der Stern verschwindet nicht sofort. Stattdessen verliert er allmählich an Masse, wird zu einem blanken Heliumkern und wandert spiralförmig nach innen.
Ein solcher Kern ist kompakt genug, um sehr nahe an das supermassereiche Schwarze Loch heranzukommen – bis auf einen Abstand, der der Größe des Schwarzschildradius des Schwarzen Lochs entspricht. Während der Heliumkern langsam nach innen spiralt, sendet er ein Gravitationswellensignal mit allmählich zunehmender Frequenz aus. Dieses Signal soll von weltraumgestützten Detektoren wie LISA empfangen werden.
Außerdem kann der Kern von Zeit zu Zeit spontan wieder aufleuchten, wenn Wasserstoff an der restlichen Wasserstoff-reichen Oberfläche entzündet wird. Die dabei auftretenden kurzen Röntgenstrahlenausbrüche könnten ein sichtbares Zeichen für dieses Geschehen sein und sozusagen das Gegenstück zum Gravitationswellensignal darstellen. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs hoch genug ist, kommt es in der Nähe der sogenannten „innersten stabilen Umlaufbahn” zur endgültigen Zerstörung des Heliumkerns. Dies könnte sowohl über elektromagnetische als auch über Gravitationswellen-Emissionen beobachtet werden, wodurch es zu einem sehr spannenden Multi-Messenger-Transienten werden würde.
Diese Objekte könnten zu den lautesten Gravitationswellenquellen in der Milchstraße gehören. Aufgrund ihrer Signalstärke könnten sie auch aus großen Entfernungen im lokalen Universum nachweisbar sein (siehe Abbildung 2). Während seiner mehrjährigen Mission könnte LISA Dutzende davon entdecken, hoffentlich sogar eines direkt im Zentrum unserer eigenen Galaxie (mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa einem Prozent).
Ein neues Fenster zum Herzen der Galaxien
Das hier beschriebene System ist ein Beispiel für eine sogenannte „Extreme Mass Ratio Inspiral”, aufgrund der enormen Massenasymmetrie zwischen dem Stern und dem supermassereichen Schwarzen Loch. Solche Systeme bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher zu untersuchen. Ihre Entdeckung würde nicht nur Aufschluss darüber geben, wie sich Sterne in diesen exotischen Umgebungen entwickeln, sondern auch, wie sie über längere Zeiträume Schwarze Löcher mit Materie versorgen können. Im Gegensatz zu typischen Wechselwirkungen zwischen stellaren Schwarzen Löchern können diese Systeme auch kurze Röntgenstrahlungsausbrüche durch Wasserstoffblitze erzeugen. Schließlich enden sie, wenn der Heliumkern durch Gezeitenkräfte zerrissen wird.
Dadurch sind sie vielversprechende Kandidaten für die Multi-Messenger-Astronomie, die Gravitationswellensignale mit elektromagnetischen Beobachtungen verknüpft und so ein reichhaltigeres, vollständigeres Bild unseres Universums liefern könnte.
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