Schwarzes Loch zerreißt Stern

Kosmische Katastrophe: Astronomen haben erstmals beobachtet, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch einen Stern verschlingt. Über zehn Jahre hinweg verfolgten sie mithilfe von Teleskopen, wie die Überreste des zerrissenen Sterns teilweise als Strahlung und teilweise als Teilchenstrom ins All katapultiert wurden. Es ist das erste Mal, dass die Bildung und Entwicklung des Materie-Jets bei einem solchen Sternentods direkt verfolgt werden konnte, so die Forscher im Fachmagazin „Science“.

Im Jahr 2014 konnte ein Stern im Herzen der Milchstraße diesem Schicksal gerade noch entgehen: Er näherte er sich dem zentralen Schwarzen Loch unserer Galaxie zwar stark an, wurde aber trotz der enormen Gezeitenkräfte im Umfeld von Sagittarius A* nicht zerrissen. Doch nicht alle Sterne haben so viel Glück.

Vom Schwarzen Loch zerrissen

Schon vor rund 30 Jahren sagten Astronomen voraus, dass es an supermassereichen Schwarzen Löcher häufiger zum Sternentod durch sogenannte Tidal Disruption Events (TDE) kommen muss. Die enorme Schwerkraft des Schwarzen Lochs zerfetzt dann das stellare Material und schleudert einen Großteil davon als extrem beschleunigten Teilchenstrahl ins All hinaus. Der Rest rotiert als glühende Materiescheibe ums Schwarze Loch oder zerstrahlt.

Doch obwohl ein solches Zerreißen von Sternen in Galaxienzentren rein theoretisch häufiger vorkommen müssten, haben Astronomen sie bisher nur extrem selten beobachtet – meist erst, wenn die kosmische Katastrophe schon vorbei war. „Die Bildung und Entwicklung eines Jets bei einem solchen Ereignis haben wir daher nie zuvor direkt beobachten können“, sagt Co-Autor Miguel Perez-Torres vom Astrophysikalischen Institut Andalusiens in Granada.

Zunächst glich die Strahlenquelle nur einem diffusen Punkt, hier in einer Radioteleskop-Aufnahme © Mattila, Perez-Torres, et al./ Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Rätselhafter Strahlenschub

Jetzt aber ist den Astronomen ein kosmischer Zufall zu Hilfe gekommen – bei der Fahndung nach neuen Supernovae in verschmelzender Galaxien. Am 30. Januar 2005 entdeckten sie einen hellen Puls starker Infrarotstrahlung aus dem Zentrum der rund 150 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Arp 299. Wenig später registrierten auch die Radioteleskope des Very Long Baseline Array (VLBA) eine verstärkte Radiowellen-Emission von dieser Stelle.

Woher aber kam diese Strahlung? Die erste Vermutung der Forscher war eine Supernova oder ein Gammastrahlen-Ausbruch. Aber auch ein Tidal Disruption Event kam in Frage, dazu passte die Lage der Strahlenquelle im Zentrum der Galaxie. Das Problem jedoch: „Als die Zeit verging, blieb das neue Objekt sowohl im Infrarot- als auch in Radiobereich hell, Röntgen und sichtbares Licht aber fehlten“, berichtet Erstautor Seppo Mattila von der Universität Turku. Dieses Muster passte zu keinem der Szenarien.

Rasender Teilchen-Jet

Wie war das zu erklären? Um der Sache auf den Grund zu gehen, beobachteten die Astronomen das rätselhafte Geschehen über zehn Jahre hinweg. Neben dem VLBA nutzen sie auch die Radioteleskope des europäischen Radioteleskop-Netzwerks EVN und das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA, um Arp 299 zu überwachen.

Und tatsächlich: Im Jahr 2011, tat sich etwas im Herzen von Arp 299. „Die ursprünglich nicht weiter aufgelöste Radioquelle entwickelte eine prominente, Jet-ähnliche Struktur“, berichten die Forscher. Aus dem zunächst eher punktförmigen Ursprung der Radiowellen wuchs ein längliches, intensiv strahlendes Gebilde in eine Richtung heraus. Die Spitze dieses Jets raste dabei mit rund einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit durch das All. An seinem Ursprung bewegte sich der Teilchenstrom sogar mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, wie die Astronomen ermittelten.

Doch ab 2011 bildete sich ein Materie-Jet, erkennbar an der seitlichen Ausdehnung der Radioquelle © Mattila, Perez-Torres, et al./ Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Tod eines sonnenähnlichen Sterns

Damit war für die Astronomen klar: Zwei der zuvor erwogenen Szenarien scheiden aus. „Die Radiomorphologie, Evolution und Expansion widersprechen einer Supernova“, berichten Mattila und seine Kollegen. Die Intensitäten und der zeitliche Verlauf der Radiostrahlung wiederum passten nicht zu einem Gammastrahlen-Ausbruch.

Blieb nur noch eine Möglichkeit: „Unsere Beobachtungen zeigen den sich ausdehnenden Radiojet eines Tidal Disruption Events – ganz im Einklang mit den theoretischen Erwartungen“, so die Forscher. Demnach muss ein Stern von etwa der doppelten Sonnenmasse dem supermassereichen Schwarzen Loch zu nahe gekommen sein. Als die Gezeitenkräfte ihn zerrissen, katapultierte dies

einen Großteil seines Materials als Jet ins All hinaus, begleitet von großen Mengen energiereicher Strahlung.

Hinter Staubwolken versteckt

Doch warum fehlte die sonst bei diesen Ereignissen typische Röntgen- und optische Strahlung? „Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass dichtes interstellares Gas und Staub nahe dem Galaxienzentrum die Röntgenstrahlung und das sichtbare Licht absorbiert haben“, sagt Mattila. Die Energie dieser Strahlung heizte die verhüllenden Wolken auf und ließ diese verstärkt im Infrarotbereich strahlen.

Indizien für dieses Szenario sehen die Forscher in der hohen Intensität der Infrarotstrahlung, aber auch im zeitlichen Muster der Radiowellenemissionen. Ihrer Ansicht nach könnten solche Hüllwolken auch erklären, warum man bisher nicht schon häufiger ein solches katastrophales Ende von Sternen an Schwarzen Löchern beobachtet hat.

„Dieses Tidal Disruption Event könnte die Spitze eines ganzen Eisbergs einer verborgenen Population solcher Ereignisse sein“, sagt Mattila. „Indem wir künftig gezielt mit Infrarot- und Radioteleskopen nach solchen Ereignissen suchen, könnten wir mehr von ihnen entdecken und von ihnen lernen.“ (Science, 2018; doi: 10.1126/science.aao4669)

(National Radio Astronomy Observatory, 15.06.2018 – NPO)