Ungewöhnlicher Sternentod am Schwarzen Loch

Kosmischer Volltreffer: Astronomen haben einen besonders seltenen Fall des Sternentods an einem Schwarzen Loch beobachtet – ein Zerreißen des Sterns mit begleitenden Plasma- und Strahlenjets. Noch seltener dabei: Einer dieser Jets zeigte direkt auf die Erde, was erstmals die Beobachtung eines solchen Tidal Disruption Events (TDE) in allen Wellenlängen von der Radio- bis zur Gammastrahlung erlaubte. Dies liefert erste Hinweise darauf, warum Schwarze Löcher nur bei rund einem Prozent dieser Sternentode einen Jet erzeugen.

Wenn ein Stern zu nahe an ein massereiches Schwarzes Loch gerät, wird er von den Gezeitenkräften der enormen Schwerkraft zerrissen und zu dünnen Fäden „spaghettisiert„. Bei einem solchen „Tidal Disruption Event“ (TDE) bildet ein Teil des stellaren Materials eine um den Ereignishorizont rotierende Akkretionsscheibe und wird nach und nach verschlungen. In rund einem Prozent der Fälle entstehen zusätzlich paarige Jets – weit ins All hinausreichende Bündel aus extrem beschleunigtem Plasma und energiereicher Strahlung.

Warum diese energiereichen Jets nur bei einem Bruchteil der Tidal Disruption Events auftreten, ist jedoch unklar. „Wir haben bisher nur eine Handvoll dieser Jet-TDEs gesehen, und sie bleiben sehr exotische und schlecht verstandene Ereignisse“, erklärt Koautor Nial Tanvir von der University of Leicester. Das letzte Ereignis dieser Art wurde 2011 beobachtet, es war aber nur in einigen Bereichen des Strahlungsspektrums sichtbar und lieferte daher wenig Informationen über die bei einem solchen Sternentod ablaufenden Prozesse.

Plötzliches Aufleuchten in ferner Galaxie

Das könnte sich nun geändert haben – durch einen besonders extremen und gleichzeitig informativen Fall eines solchen Sternentods. Entdeckt wurde er am 11. Februar 2022 durch das Teleskop der Zwicky Transient Facility (ZTF) in Kalifornien. Dieses detektierte einen ungewöhnlich hellen, abrupt aufleuchtenden Lichtblitz, hinter dem die Astronomen um Igor Andreoni von der University of Maryland zunächst einen Gammastrahlenausbruch vermuteten.

Um mehr über die Ursache dieses Strahlenausbruchs zu erfahren, alarmierten die Astronomen andere Observatorien, die daraufhin das AT2022cmc getaufte Ereignis in allen Wellenbereichen von langwelliger Radiostrahlung über Infrarot- und visuelles Licht bis zur kurzwelligen Röntgen- und Gammastrahlung mitverfolgten. Erste Analysen des Lichtspektrums ergaben, dass die Quelle dieser Strahlung rund 8,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegen muss.

Außergewöhnliche Merkmale

Ungewöhnlich jedoch: „Die Röntgen-, Radio- und Submillimeter-Strahlen von AT2022cmc gehören zu den leuchtstärksten je bei dieser Rotverschiebung beobachteten“, berichten die Astronomen. Anders als bei einem Gammastrahlenausbruch hielten diese hohen Strahlungsintensitäten über Wochen hinweg an. „Dieses Ereignis war 100-mal stärker als das stärkste bekannte Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs“, berichtet Dheeraj Pasham vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Zudem schwankte die Intensität der Röntgenstrahlung immer wieder stark, statt allmählich und stetig abzunehmen.

Ebenfalls erstaunlich war die Entwicklung im ultravioletten und sichtbaren Licht. Dieses schwankte mehrere Tage lang stark, um dann ein noch immer sehr helles Plateau mit leicht bläulichem Spektrum zu erreichen. „Die außergewöhnlich hohe Leuchtkraft über alle Wellenlängen hinweg und die schnelle spektrale und zeitliche Veränderung machen AT2022cmc zu einem extrem ungewöhnlichen Ereignis – selbst angesichts des sich rapide erweiternden ‚Zoos‘ kurzlebiger astronomischer Ereignisse“, konstatieren Andreoni und seine Kollegen.

Sternentod mit auf uns zeigendem Jet

Aus all diesen Auffälligkeiten schließen die Astronomen, dass AT2022cmc auf die üppige Mahlzeit eines fernen Schwarzen Lochs zurückgeht – ein Tidal Disruption Event. „AT2022cmc war so hell und dauerte so lange, dass wir wussten, dass etwas so gewaltiges wie ein supermassereiches Schwarzes Loch dahinterstecken musste“, sagt Koautor Benjamin Gompertz von der University of Birmingham. Beim Zerreißen des wahrscheinlich sonnengroßen Sterns am Schwarzen Loch entstanden energieeiche Jets, von denen einer direkt auf die Erde gerichtet war.

Das aber bedeutet: Dieses Ereignis ist nicht nur einer der seltenen Fälle eines zerrissenen Sterns mit begleitenden Jets. Es ist mit 8,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung auch das mit Abstand am weitesten entfernte Ereignis dieser Art, das bislang erfasst wurde. „Weil der relativistische Jet auf uns gerichtet ist, ist das Ereignis viel heller, als es sonst erscheinen würde, und über einen größeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sichtbar“, erklärt Koautor Giorgos Leloudas von der Technischen Universität Dänemarks.

Mit 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit

Durch diesen glücklichen Umstand konnten die Astronomen erstmals mehr Details über einen solchen Sternentod und seine Jets in Erfahrung bringen. „Das Ereignis begann, als ein todgeweihter Stern sich dem supermassereichen Schwarzen Loch auf einer fast parabolischen Bahn näherte und dabei zu einem Strom von gasförmigen Trümmern zerrissen wurde“, schildern die Forschenden das Szenario. Etwa die halbe Masse des zerstörten Zwergsterns blieb in der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch gefangen und wurde stark aufgeheizt und beschleunigt.

Turbulenzen und Schockwellen führten dann zur Bildung der beiden polaren Jets aus energiereichen Teilchen und Strahlung. „Die Geschwindigkeit des Jets liegt unseren Daten nach bei 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit“, berichtet Koautor Matteo Lucchini vom MIT. Triebkraft für die enorme dafür notwendige Beschleunigung war jedoch nicht ein starkes Magnetfeld, wie zuvor bei solchen TDEs mit Jet angenommen. Denn bei AT2022cmc war dieses nur schwach ausgeprägt.

Spin des Schwarzen Lochs entscheidend?

Stattdessen legen die Beobachtungen nahe, dass die Rotation des Schwarzen Lochs für die Bildung der Plasma- und Strahlenbündel entscheidend war. Demnach könnten solche Jets immer dann entstehen, wenn das supermassereiche Schwarze Loch sich bei einem solchen Zerreißen eines Sterns um sich selbst dreht. Weil dies nicht bei allen Schwarzen Löchern der Fall ist, sind TDEs mit Jets vergleichsweise selten.

„Wir erwarten, in Zukunft noch weitere solcher Ereignisse beobachten zu können. Dann könnten wir endlich sagen, warum und wie Schwarze Löcher diese Jets verursachen“, sagt Lucchini. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05465-8; Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-022-01820-x)