Astronomen entdecken Stern in sehr engem Orbit um ein Schwarzes Loch

Künstlerische Darstellung eines Sterns in einem engen Orbit um ein Schwarzes Loch. (Credit: NASA)
Künstlerische Darstellung eines Sterns in einem engen Orbit um ein Schwarzes Loch. (Credit: NASA)

Astronomen haben Hinweise auf einen Stern gefunden, der zweimal pro Stunde ein Schwarzes Loch umkreist. Das könnte der engste orbitale Tanz sein, der jemals bei einem Schwarzen Loch und einem Begleitstern beobachtet wurde. Wissenschaftler der Michigan State University waren Teil des Teams, das diese Entdeckung machte. Das Team nutzte das Chandra X-ray Observatory der NASA, sowie das Nuclear Spektroscopic Telescope Array (NuSTAR) und das Australia Telescope Compact Array.

Das enge Doppelsystem liegt im Kugelsternhaufen 47 Tucanae, einem dichten Sternhaufen in unserer Galaxie, der etwa 14.800 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Obwohl Astronomen dieses Doppelsystem seit vielen Jahren beobachtet haben, offenbarten Radiobeobachtungen erst im Jahr 2015, dass das Paar wahrscheinlich ein Schwarzes Loch enthält, das Materie von einem Begleitstern abzieht. Bei dem Begleitstern handelt es sich offenbar um einen Weißen Zwerg, ein massearmer Stern, der den Großteil seines Brennstoffs oder seinen gesamten Brennstoff aufgebraucht hat.

Neue Chandra-Daten dieses Systems namens X9 zeigen, dass es seine Röntgenhelligkeit alle 28 Minuten auf die gleiche Weise verändert. Das ist wahrscheinlich die Zeitspanne, die der Begleitstern für eine vollständige Umkreisung des Schwarzen Lochs benötigt. Die Chandra-Daten liefern außerdem Belege für großen Mengen Sauerstoff in dem System, was ein Merkmal von Weißen Zwergen ist. Das kann also überzeugende Argumente dafür liefern, dass der Begleitstern ein Weißer Zwerg ist, der das Schwarze Loch in der nur 2,5-fachen Erde-Mond-Distanz umkreist.

"Dieser Weiße Zwerg ist dem Schwarzen Loch so nahe, dass es Materie von ihm abzieht und in einer Akkretionsscheibe ansammelt, bevor sie hineinstürzt", sagte Arash Bahramian, der Hauptautor von der University of Alberta (Kanada) und der Michigan State University. "Zum Glück für den Stern denken wir nicht, dass er seinem Kurs zur Vergessenheit weiter folgen wird, sondern dass er stattdessen in einer Umlaufbahn bleiben wird." Auch wenn der Weiße Zwerg offenbar nicht Gefahr läuft, in das Schwarze Loch zu stürzen oder von selbigem auseinandergerissen zu werden, ist sein Schicksal ungewiss.

"Eine lange Zeit dachten Astronomen, dass Schwarze Löcher in Kugelsternhaufen selten vorkommen oder völlig fehlen", sagte Jay Strader, MSU-Astronom und Co-Autor der Studie. "Diese Entdeckung ist ein weiterer Beleg dafür, dass Kugelsternhaufen nicht einer der schlechtesten Orte sind, um nach Schwarzen Löchern zu suchen, sondern dass sie zu den aussichtsreichsten gehören könnten."

Wie kam das Schwarze Loch zu einem so nahen Begleiter? Eine Möglichkeit ist, dass das Schwarze Loch in einen Roten Riesen stürzte. Dann wurde Gas aus den äußeren Regionen des Sterns von dem Doppelsystem ausgestoßen. Der zurückbleibende Kern des Roten Riesen hätte sich in einen Weißen Zwerg entwickelt, der zu einem Begleiter des Schwarzen Lochs würde. Die Umlaufbahn des Doppelsystems wäre dann aufgrund der Erzeugung von Gravitationswellen geschrumpft, bis das Schwarze Loch begann, Materie von dem Weißen Zwerg abzuziehen.

Die Gravitationswellen, die von dem Doppelsystem momentan erzeugt werden, haben eine zu niedrige Frequenz, um mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) registriert zu werden, das kürzlich Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern nachgewiesen hat. Quellen wie X9 könnten möglicherweise mit zukünftigen Gravitationswellenobservatorien im Weltraum registriert werden.

Eine alternative Erklärung für die Beobachtungen besagt, dass der Weiße Zwerg kein Schwarzes Loch begleitet, sondern einen Neutronenstern. In diesem Szenario rotiert der Neutronenstern schneller, während er über eine Scheibe Materie von einem Begleitstern abzieht. Das ist ein Prozess, der die Rotationszeit des Neutronensterns auf wenige tausendstel einer Sekunde verringern kann. Ein paar solcher Objekte, sogenannte flüchtige Millisekundenpulsare, wurden gegen Ende ihrer Beschleunigungsphase beobachtet. Die Autoren favorisieren diese Möglichkeit nicht, weil diese flüchtigen Millisekundenpulsare Eigenschaften besitzen, die bei X9 nicht gesehen wurden – beispielsweise eine extreme Veränderlichkeit im Röntgen- und Radiowellenbereich. Allerdings können sie diese Erklärung auch nicht widerlegen.

Laura Chomiuk, eine MSU-Astronomin, trug ebenfalls zu dieser Forschungsarbeit bei. Die Abhandlung wurde von den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society akzeptiert. Das Marshall Space Flight Center der NASA leitet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur. Das Smithsonian Astrophysical Observatory steuert die Wissenschafts- und Flugoperationen Chandras.

Quelle

(THK)

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