Wenn sie existieren, verschlingen Schwarze Löcher mittlerer Masse wahrscheinlich eigensinnige Sterne wie ein unordentliches Kleinkind – nehmen ein paar Bissen und schleudern dann die Überreste durch die Galaxie – hat eine neue Studie unter Leitung der Northwestern University herausgefunden.
In neuen 3D-Computersimulationen modellierten Astrophysiker Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse und schleuderten dann Sterne (ungefähr so groß wie unsere Sonne) an ihnen vorbei, um zu sehen, was passieren könnte.
Wenn sich ein Stern einem Schwarzen Loch mittlerer Masse nähert, gerät er zunächst in die Umlaufbahn des Schwarzen Lochs, entdeckten die Forscher. Danach beginnt das Schwarze Loch mit seiner langen und heftigen Mahlzeit. Jedes Mal, wenn der Stern eine Runde dreht, nimmt das Schwarze Loch einen Biss – was den Stern mit jeder Passage weiter kannibalisiert. Schließlich bleibt nichts übrig als der unförmige und unglaublich dichte Kern des Sterns.
An diesem Punkt stößt das Schwarze Loch die Überreste aus. Der Überrest des Sterns fliegt quer durch die Galaxis in Sicherheit.
Diese neuen Simulationen weisen nicht nur auf das unbekannte Verhalten von Schwarzen Löchern mittlerer Masse hin, sondern liefern Astronomen auch neue Hinweise, um diese verborgenen Riesen in unserem Nachthimmel endlich zu lokalisieren.
„Wir können schwarze Löcher offensichtlich nicht direkt beobachten, weil sie kein Licht aussenden“, sagte Fulya Kıroğlu von Northwestern, der die Studie leitete. „Also müssen wir uns stattdessen die Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern und ihrer Umgebung ansehen. Wir haben festgestellt, dass Sterne mehrere Passagen durchlaufen, bevor sie ausgestoßen werden. Nach jeder Passage verlieren sie mehr Masse und verursachen ein Lichtflair, wenn sie auseinandergerissen werden. Jeder Flare ist heller als die letzte und erzeugt eine Signatur, die Astronomen helfen könnte, sie zu finden.“
Kıroğlu wird diese Forschung während des virtuellen Teils des April-Treffens der American Physical Society (APS) vorstellen. „Tidal Disruption Events of Stars by Intermediate-Mass Black Holes“ findet am 25. April als Teil der Session „Medium: Cosmic Rays, AGN & Galaxies“ statt. . Das Astrophysikalische Journal hat die Studie zur Veröffentlichung angenommen.
Kıroğlu ist Astrophysik-Doktorand am Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Sie wird beraten von Frederic Rasio, Co-Autor der Veröffentlichung, Joseph-Cummings-Professor für Physik und Astronomie am Weinberg und Mitglied von CIERA.
Während Astrophysiker die Existenz von Blocklöchern mit geringerer und höherer Masse nachgewiesen haben, blieben Schwarze Löcher mit mittlerer Masse schwer fassbar. Die beim Kollaps von Supernovae entstehenden stellaren Überbleibsel Schwarzer Löcher haben etwa die 3- bis 10-fache Masse unserer Sonne. Am anderen Ende des Spektrums befinden sich supermassive Schwarze Löcher, die in den Zentren von Galaxien lauern und die Millionen- bis Milliardenfache Masse unserer Sonne haben.
Sollten sie existieren, würden Schwarze Löcher mittlerer Masse irgendwo in die Mitte passen – 10 bis 10.000 Mal massereicher als stellare Schwarze Löcher, aber nicht annähernd so massereich wie supermassereiche Schwarze Löcher. Obwohl diese Schwarzen Löcher mittlerer Masse theoretisch existieren sollten, müssen Astrophysiker noch unbestreitbare Beobachtungsbeweise finden.
„Ihre Anwesenheit wird immer noch diskutiert“, sagte Kıroğlu. „Astrophysiker haben Beweise dafür gefunden, dass sie existieren, aber diese Beweise können oft durch andere Mechanismen erklärt werden. Zum Beispiel könnte das, was wie ein Schwarzes Loch mittlerer Masse aussieht, tatsächlich die Ansammlung von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse sein.“
Um das Verhalten dieser ausweichenden Objekte zu untersuchen, entwickelten Kıroğlu und ihr Team neue hydrodynamische Simulationen. Zuerst erstellten sie ein Modell eines Sterns, der aus vielen Teilchen besteht. Dann schickten sie den Stern in Richtung des Schwarzen Lochs und berechneten die Gravitationskraft, die während der Annäherung des Sterns auf die Teilchen wirkte.
„Wir können genau berechnen, welches Teilchen an den Stern gebunden ist und welches Teilchen gestört (oder nicht mehr an den Stern gebunden) ist“, sagte Kıroğlu.
Durch diese Simulationen entdeckten Kıroğlu und ihr Team, dass Sterne ein Schwarzes Loch mittlerer Masse bis zu fünf Mal umkreisen können, bevor sie schließlich ausgestoßen werden. Bei jeder Umrundung des Schwarzen Lochs verliert der Stern mehr und mehr an Masse, da er auseinandergerissen wird. Dann schießt das Schwarze Loch die Überreste – es bewegt sich mit sengender Geschwindigkeit – zurück in die Galaxie. Das sich wiederholende Muster würde eine atemberaubende Lichtshow erzeugen, die Astronomen dabei helfen sollte, Schwarze Löcher mittlerer Masse zu erkennen und ihre Existenz zu beweisen.
„Es ist erstaunlich, dass der Stern nicht vollständig auseinander gerissen ist“, sagte Kıroğlu. „Einige Sterne könnten Glück haben und das Ereignis überleben. Die Auswurfgeschwindigkeit ist so hoch, dass diese Sterne als Hypergeschwindigkeitssterne identifiziert werden könnten, die in den Zentren von Galaxien beobachtet wurden.“
Als nächstes plant Kıroğlu, verschiedene Arten von Sternen zu simulieren, darunter Riesensterne und Doppelsterne, um ihre Wechselwirkungen mit Schwarzen Löchern zu untersuchen.