Explosives Ende eines Lebens neben einem Schwarzen Loch

Immer mehr Schwarze Löcher werden gefunden, die einen hellen, massereichen Begleitstern umkreisen. Die Zukunft dieser Systeme birgt ein grundlegendes Rätsel: Was passiert, wenn sich der Begleitstern ausdehnt und beginnt, Masse an das Schwarze Loch zu verlieren? Bleibt die Wechselwirkung stabil oder stürzt das Schwarze Loch in den Stern und zerstört ihn von innen heraus? Mithilfe modernster Computermodelle hat ein Team unter der Leitung des MPA eine überraschend einfache Regel identifiziert: Die Wechselwirkung ist stabil, solange der Abstand zwischen dem Schwarzen Loch und dem Stern größer als etwa das Zehnfache des Sonnenradius ist. Dieser neu gefundene Grenzwert für den Abstand wird eine Schlüsselrolle dabei spielen, zu bestimmen, welche Systeme überleben und zu Quellen für Gravitationswellen werden. Er wird auch dazu beitragen, die wachsende Zahl von LIGO/Virgo/Kagra-Detektionen zu interpretieren. Doppelsterne, die nicht stabil bleiben, sind jedoch nicht weniger bemerkenswert. Solche Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Sternen könnten die Ursache für leuchtende, schnelle, blaue optische Transienten sein. Damit ließe sich eine Verbindung zwischen diesen seltenen und gewaltigen Explosionen und den dramatischen Endstadien der Doppelsternentwicklung herstellen.

Schwarze Löcher sind von Natur aus unsichtbar, aber einige von ihnen verraten ihre Anwesenheit, indem sie einen leuchtenden Begleitstern umkreisen. In den letzten Jahren haben Astronomen mehrere Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen mit einem massereichen Begleitstern – mindestens zehnmal schwerer als die Sonne – entdeckt. Dazu verfolgten sie die Bewegung des sichtbaren Sterns sorgfältig. Diese Systeme sind wahrscheinlich nur die Spitze des Eisbergs, denn Populationsstudien deuten darauf hin, dass Hunderte weitere in unserer Milchstraße verborgen sein könnten.

Während diese Doppelsterne heute ruhig erscheinen, ist ihre Zukunft alles andere als das. Massereiche Sterne bleiben nicht für immer kompakt. Innerhalb weniger Millionen Jahre werden sie sich um das Zehn- bis Hundertfache ausdehnen, bis die Schwerkraft des Schwarzen Lochs ihre äußeren Schichten abzieht. Dieser als Massentransfer bezeichnete Prozess lässt das System als Röntgendoppelstern aufleuchten, wobei heißes Gas über eine Akkretionsscheibe spiralförmig in das Schwarze Loch strömt. Entscheidend ist, dass dieser Massenaustausch nicht nur den Stern selbst verändert, sondern auch das gesamte Doppelsternsystem umformt. Je nachdem, wie Masse und Drehimpuls neu verteilt werden, kann sich die Umlaufbahn nämlich dramatisch ausdehnen oder verkleinern – in einigen Fällen sogar um Größenordnungen.

Ein seit langem bestehendes Rätsel ist, ob diese Wechselwirkung stabil bleibt oder katastrophal endet. In einigen Fällen kann das Schwarze Loch über Millionen von Jahren hinweg friedlich Materie akkretieren und dabei nach und nach die Wasserstoffhülle seines Begleiters abstreifen, sodass der darunter liegende Heliumkern freigelegt wird. In anderen Fällen wird das Doppelsternsystem jedoch dynamisch instabil, das Schwarze Loch taucht tief in den Stern ein und zerstört ihn von innen heraus. In einer aktuellen Studie hat ein Forschungsteam unter der Leitung des MPA mithilfe detaillierter Computersimulationen mit dem hochmodernen Sternentwicklungscode MESA gezeigt, dass das Ergebnis in Systemen mit akkretierenden Schwarzen Löchern trotz der komplexen Gasdynamik von einer überraschend einfachen Regel bestimmt wird: Wie eng die Umlaufbahn des Doppelsternsystems wird.

Das Team fand heraus, dass ein stabiler Massentransfer eine harte Grenze hat. Wenn sich die Umlaufbahn auf unter etwa zehn Sonnenradien – das ist etwa ein Zwanzigstel der Entfernung zwischen Erde und Sonne – verengt, reagiert der massereiche Stern mit einer raschen Ausdehnung. Das Schwarze Loch taucht dann in seinen stellaren Begleiter ein, spiralt durch ihn hindurch und verschmilzt schließlich mit dem Heliumkern. Dadurch werden der Stern und damit das Doppelsternsystem zerstört. Diese Trennungsgrenze wird nicht durch die ungewissen Details des Massenaustauschs bestimmt, sondern dadurch, wie massereiche Sterne auf Massenverlust reagieren, wenn sie in sehr enge Umlaufbahnen gezwungen werden. Verschiedene Sterne haben unterschiedliche „Komfortzonen“: Einige lösen bei etwas größeren Abständen Instabilität aus als andere. In jedem Fall lässt sich diese Schwelle jedoch auf die innere Struktur des Sterns zurückführen, insbesondere auf tiefe Schichten in der Nähe des Kerns, die normalerweise nicht sichtbar sind.

Diese Begrenzung der Umlaufbahn hat wichtige Konsequenzen für die Gravitationswellenastronomie. Kompakte Umlaufbahnen sind erforderlich, um Paare von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen zu bilden, die später spiralförmig aufeinander zufliegen und verschmelzen. Dadurch entstehen nachweisbare Gravitationswellen. Die neu identifizierte Trennschwelle bestimmt somit, welche Doppelsterne zu Gravitationswellenquellen werden können und welche nicht. Damit trägt sie dazu bei, die Ursprünge der wachsenden Population von Verschmelzungen zu klären, die im gesamten Universum beobachtet werden.

Systeme, die die Stabilitätsschwelle überschreiten, können jedoch zu etwas noch Dramatischerem führen. In einer Folgestudie schlagen Forscher des MPA und der Columbia University vor, dass diese „gescheiterten” Gravitationswellenquellen eine der mysteriösesten Explosionen im Universum antreiben: leuchtende schnelle blaue optische Transienten, kurz LFBOTs.

LFBOTs gehören zu den extremsten bekannten Sternexplosionen. Sie können so hell leuchten wie die leuchtstärksten Supernovae – bis zu hundertmal heller als typische Sternexplosionen –, während sie innerhalb weniger Tage aufleuchten und wieder verblassen. Sie stoßen mächtige Ausflüsse mit einer Geschwindigkeit von mehreren zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit aus und senden Röntgenstrahlen aus, die noch Jahre nach dem ersten Blitz bestehen bleiben können. Radiobeobachtungen liefern einen weiteren rätselhaften Hinweis: Diese Explosionen finden in einer riesigen Wolke aus dichtem Gas statt, die sich über eine Entfernung ausdehnt, die fast hundertmal größer ist als die Umlaufbahn des Pluto. Solche extremen Umgebungen stellen eine große Herausforderung für Modelle dar, die versuchen, LFBOTs zu erklären. Zudem sind diese Ereignisse äußerst selten und treten etwa tausendmal seltener auf als gewöhnliche Supernovae.

Das neue Modell fügt all diese Teile auf natürliche Weise zusammen. Demnach taucht ein Schwarzes Loch nach einer dynamischen Instabilität in den Stern ein, stürzt spiralförmig in den kompakten Heliumkern, reißt ihn durch Gezeitenkräfte auseinander und akkretiert in nur wenigen Stunden einen Bruchteil einer Sonnenmasse. Diese schnelle Akkretion setzt eine enorme Menge an Energie frei und treibt starke, asymmetrische Ausflüsse an, die sich durch die Überreste des Sterns ausbreiten und die beobachtete Helligkeit, die Farben sowie die schnelle Entwicklung von LFBOTs verursachen.

Entscheidend ist, dass eine solche Verschmelzung nicht über Nacht geschieht. Die Studie zeigt, dass das Schwarze Loch über einen Zeitraum von Tausenden von Jahren in einer langlebigen, stabilen Phase Masse von seinem Begleiter abzieht, bevor die Umlaufbahn unter die kritische Entfernung gerät und eine verzögerte dynamische Instabilität ausgelöst wird. Nur ein kleiner Teil dieser Materie wird akkretiert, der größte Teil wird in den Weltraum ausgestoßen und bildet auf natürliche Weise das aus Radiobeobachtungen abgeleitete, ausgedehnte und dichte zirkumstellare Medium. Wenn die endgültige Explosion stattfindet, geschieht dies innerhalb dieses Kokons, was eines der rätselhaftesten Merkmale von LFBOTs erklärt.

Zusammenfassend ziehen die neuen Studien des MPA eine direkte Verbindung zwischen dem ruhigen Leben von Doppelsternsystemen mit einem Schwarzen Loch einerseits und Gravitationswellenquellen sowie einigen der stärksten bekannten Sternexplosionen andererseits. Kommt man einem Schwarzen Loch zu nahe, scheint das Ergebnis ein Feuerwerk zu sein.