Eine Lösung für das Rätsel um die stillen Schwarzen Löcher von Gaia
Neben den spektakulären Schwarzen Löchern, die energiereiche, veränderliche Ereignisse erzeugen, sollte es noch sehr viel mehr ruhige Schwarze Löcher geben, die nur durch den Einfluss ihrer Schwerkraft auf Begleitsterne nachweisbar sind. Bisher hat die ESA-Mission Gaia drei solche Doppelsternsysteme mit ruhenden Schwarzen Löchern identifiziert. Im Dezember dieses Jahres werden möglicherweise viele weitere veröffentlicht. Zwei dieser Systeme stellen jedoch eine große Herausforderung für unser Verständnis der Entwicklung von Doppelsternsystemen dar, da sie eine unerwartet große Umlaufbahn und ein extremes Massenverhältnis aufweisen. Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für Astrophysik schlägt eine Lösung vor. Wenn der Großteil der Materie, die von dem massereichen Stern übertragen wird, das System verlässt, ohne dabei einen signifikanten Anteil des orbitalen Drehimpulses mitzunehmen, kann das Doppelsternsystem überleben, ohne dass sich seine Umlaufbahn verkleinert oder die Sterne verschmelzen. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass ein Massenverlust mit niedrigem Drehimpuls auch in anderen Systemen eine wichtige Rolle spielen könnte. Dies hätte erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Entwicklung von Doppelsternsystemen.
Schwarze Löcher werden oft durch einige der energiereichsten Phänomene im Universum entdeckt: gewaltige Röntgenausbrüche, wenn Materie in ein Schwarzes Loch fällt, oder spektakuläre Verschmelzungen, die durch Gravitationswellen nachgewiesen werden. Dennoch wird erwartet, dass die überwiegende Mehrheit der Schwarzen Löcher bemerkenswert ruhig ist. Sie könnten durch die Galaxie treiben oder einen normalen Stern umkreisen, ohne nachweisbare Strahlung zu erzeugen. Das macht es fast unmöglich, sie zu finden.
In den letzten Jahren hat die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ein neues Fenster für die Entdeckung dieser verborgenen Schwarzen Löcher geöffnet. Gaia erkennt ihre Anwesenheit anhand der subtilen Bewegung, die sie bei ihren Begleitsternen hervorrufen. Durch die präzise Messung der Positionen und Bewegungen von Milliarden von Sternen in der Milchstraße kann Gaia winzige „Schwankungen” aufdecken, die durch die Anziehungskraft eines unsichtbaren Begleiters verursacht werden.
Bislang wurden drei dieser „schlafenden” Schwarzen Löcher durch Gaia-Beobachtungen bestätigt. Diese Systeme bestehen aus einem Stern mit relativ geringer Masse, der ein Schwarzes Loch in großem Abstand umkreist. Die Umlaufzeiten reichen dabei von über hundert bis zu einigen tausend Tagen. Da die Schwarzen Löcher ihre Begleiter nicht aktiv verschlingen, bleiben sie unsichtbar und sind nur durch ihren gravitativen Einfluss nachweisbar.
Zwei der entdeckten Systeme, Gaia BH1 und Gaia BH2, kamen jedoch überraschend. Nach dem Standardmodell der Entwicklung von Doppelsternsystemen sollte die Entstehung solcher Systeme äußerst schwierig, wenn nicht gar unmöglich sein.
Ein Problem für die Sternentwicklung
Massereiche Sterne entwickeln sich selten alleine. Die meisten entstehen in Doppelsternsystemen, in denen die Wechselwirkungen zwischen den beiden Sternen deren Lebensverlauf tiefgreifend beeinflussen können. Durch Prozesse wie den Massentransfer kann ein Stern Materie an seinen Begleiter abgeben. Dies verändert die Entwicklung und sogar das endgültige Schicksal des gesamten Systems. Ein wichtiger Prozess ist der sogenannte Roche-Volumen-Überlauf: In dieser Phase überträgt ein sich ausdehnender Stern Materie auf seinen Begleiter. Während sich Gaia BH3 in einer ausreichend weiten Umlaufbahn befindet, um diesen sogenannten Roche-Volume-Überlauf zu vermeiden, wird erwartet, dass Gaia BH1 und Gaia BH2 diese Phase im Laufe ihrer Entwicklung durchlaufen.
Die Systeme Gaia BH1 und Gaia BH2 enthalten jeweils ein Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa dem Neunfachen der Sonnenmasse, das einen viel leichteren Begleitstern umkreist. Ihre Vorläufer müssen einst viel massereichere Sterne mit etwa dem 20-fachen der Sonnenmasse gewesen sein, die mit deutlich kleineren Begleitsternen gepaart waren. Solche massereichen Sterne erreichen schnell das Ende ihrer Hauptreihenphase und dehnen sich dann dramatisch aus. Schließlich dürften sie Material auf ihre Begleitsterne übertragen haben.
Diese Massentransferphase stellt für die Gaia-Systeme eine große theoretische Herausforderung dar. Traditionell nahm man bei Doppelsternsystemen mit einem derart extremen Unterschied in den Sternmassen der beiden Sterne an, dass sie einen instabilen Massentransfer durchlaufen, der zu einer sogenannten „Common-Envelope“-Phase führt. Während dieser Phase wird der kleinere Begleitstern von der Hülle des massereichen Sterns eingeschlossen. Es wird erwartet, dass das System entweder zu einem einzigen Stern verschmilzt oder mit einer viel engeren Umlaufbahn daraus hervorgeht. Dies steht im Gegensatz zu den von Gaia beobachteten weit auseinanderliegenden Schwarzen-Loch-Doppelsternen.
Ein alternativer Mechanismus zum Masseverlust
Eine neue Studie eines Teams der Abteilung für Sternentwicklung am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) liefert eine mögliche Lösung für dieses Rätsel. Die Forscher haben anhand detaillierter Berechnungen zur Sternentwicklung einen alternativen Kanal für den Massenverlust untersucht.
Der entscheidende Unterschied besteht darin, wie viel Bahndrehimpuls dem System entzogen wird. Verlässt Materie die Umgebung nahe am Geberstern, nimmt sie im Vergleich zu Szenarien, bei denen Masse aus den äußeren Regionen des Doppelsternsystems verloren geht, relativ wenig Bahndrehimpuls mit. Infolgedessen schrumpft die Umlaufbahn nicht dramatisch, sodass die beiden Sterne eine katastrophale Verschmelzung vermeiden können.
Mit diesem alternativen Massenverlustkanal kann das Doppelsternsystem überleben und sich auf natürliche Weise zu einem System mit Eigenschaften entwickeln, die denen von Gaia BH1 und Gaia BH2 ähneln.
Warum sollten sich Sterne so verhalten?
Die naheliegende nächste Frage ist, ob und wann die Natur tatsächlich einen solchen Massenverlustmodus hervorbringen kann. Die Studie identifiziert mehrere mögliche physikalische Mechanismen. Massereiche Sterne, die sich dem Ende ihres Lebens nähern, entwickeln äußere Schichten mit hoher Opazität, in denen der Strahlungsdruck extrem stark werden kann. Diese Schichten können gewaltige Eruptionen auslösen, ähnlich denen, die bei leuchtkräftigen blauen Variablen beobachtet werden. Dabei kann Materie direkt vom Geberstern weggeschleudert werden.
Gleichzeitig könnte der enorme Größenunterschied der Gravitationsbereiche der beiden Sterne verhindern, dass ein Großteil des übertragenen Gases den Begleitstern überhaupt erreicht. Aktuelle eindimensionale Modelle der Sternentwicklung können diese komplexen hydrodynamischen Prozesse jedoch nicht vollständig erfassen. Dennoch deutet die Übereinstimmung zwischen unseren Evolutionsmodellen und den beobachteten Gaia-Systemen darauf hin, dass diese Effekte viel genauere Aufmerksamkeit verdienen.
Über die Schwarzen Löcher von Gaia hinaus
Die Implikationen reichen weit über die beiden ungewöhnlichen Schwarzen-Loch-Doppelsterne von Gaia hinaus. Mehrere andere Klassen von Doppelsternsystemen nach einer Wechselwirkung – darunter Systeme mit Neutronensternen, Weißen Zwergen und abgestreiften Wolf-Rayet-Sternen – scheinen im Rahmen des Standardmodells des Massentransfers mit ähnlichen Schwierigkeiten konfrontiert zu sein. Sollte sich der Massenverlust mit niedrigem Drehimpuls in bestimmten Doppelsternsystemen als weit verbreitet erweisen, könnte dies unser Verständnis davon, wie viele Doppelsternsysteme mit kompakten Objekten entstehen, grundlegend verändern – mit wichtigen Auswirkungen auf andere Populationen, beispielsweise auf Quellen von Gravitationswellen.
Zukünftige Datenveröffentlichungen von Gaia werden voraussichtlich viele weitere Schwarze-Loch-Doppelsterne aufdecken und damit eine wesentlich größere Stichprobe liefern, anhand derer die theoretischen Modelle getestet werden können. In Kombination mit Entdeckungen aus anderen Beobachtungsmethoden und immer ausgefeilteren dreidimensionalen Simulationen des Massentransfers werden diese Beobachtungen dazu beitragen festzustellen, ob dieser alternative Evolutionsweg tatsächlich ein häufiges Ergebnis der Entwicklung von Doppelsternsystemen ist.
