Die Entstehung eines Schwarzen Lochs kann ein gewaltiges Ereignis sein: Ein massereicher Stern explodiert am Ende seines Lebens, und Teile seiner Überreste kollabieren zu einem extrem dichten Objekt, dessen Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Doch wie neue Beobachtungen zeigen, kann dieser Prozess manchmal deutlich ruhiger verlaufen.
Forscher haben einen großen, hellen Stern beobachtet, der in seinen letzten Augenblicken fast vollständig verschwand und sich offenbar ohne Supernova-Explosion in ein Schwarzes Loch verwandelte. Laut Reuters ist er heute nur noch dank des schwachen Leuchtens nachweisbar, das entsteht, wenn sich das verbliebene Gas und der Staub erhitzen, während das neu entstandene Schwarze Loch sie mit seiner enormen Schwerkraft anzieht.
Der Stern mit der Bezeichnung M31-2014-DS1 befand sich in der Andromedagalaxie, einer Nachbargalaxie der Milchstraße, etwa 2,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt – 9,5 Billionen Kilometer.
Forscher sagen, M31-2014-DS1 könnte der bisher stärkste Beweis dafür sein, dass Schwarze Löcher auch ohne Supernova entstehen können. Sie verfolgten die Helligkeit des Sterns über vier Jahrzehnte bis 2014, beobachteten dann eine weitere Helligkeitszunahme im Jahr 2015, bevor er fast vollständig aus dem Blickfeld verschwand – ein Szenario, das mit der Entstehung eines Schwarzen Lochs übereinstimmt.
„Dies liefert Beobachtungsbeweise für die Entstehung Schwarzer Löcher in Echtzeit, legt nahe, dass viele Schwarze Löcher ohne Supernova-Explosionen entstehen können, und zeigt, dass Sterne mit Massen bis zu etwa dem 13-Fachen der Sonnenmasse Schwarze Löcher bilden können“, sagte die Astrophysikerin Kishalai De vom Flatiron Institute und der Columbia University in New York, Hauptautorin der in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie.
Wissenschaftler wissen seit über 50 Jahren, dass Schwarze Löcher existieren, aber sie haben immer noch „sehr, sehr begrenzte Beobachtungsdaten darüber, wie Sterne zu Schwarzen Löchern werden“, sagte De. „Diese Entdeckung liefert daher wichtige Erkenntnisse über diesen Prozess.“
Der Stern besaß ursprünglich mindestens die 13-fache Masse unserer Sonne. Während seiner relativ kurzen Lebensdauer von etwa 15 Millionen Jahren schleuderten starke Sternwinde rund 60 Prozent seiner Masse aus, wie Reuters berichtet.
Die Explosion eines massereichen Sterns hinterlässt üblicherweise einen sogenannten Neutronenstern – extrem kompakt, aber dennoch nicht so massereich wie ein Schwarzes Loch. Eine solche Supernova kann, abhängig von der Masse des Sterns und anderen Faktoren, ein Schwarzes Loch erzeugen, obwohl dies durch Beobachtungen nur schwer nachzuweisen ist.
„Bei einer Supernova verbraucht ein massereicher Stern seinen nuklearen Brennstoff, sein Kern kollabiert und bildet kurzzeitig einen Neutronenstern. Dieser Kollaps erzeugt eine Schockwelle“, erklärte De.
„Wenn die Welle erfolgreich ist, schleudert sie die äußeren Schichten des Sterns als helle Supernova vollständig aus. In manchen Fällen gehen wir jedoch davon aus, dass der verbleibende Kern nicht ausgestoßen wird, sondern schließlich auf den Neutronenstern zurückfällt und ihn zu einem Schwarzen Loch kollabieren lässt“, fügte er hinzu.
Bei der Kernfusion verschmelzen Sterne in ihren Kernen Wasserstoff zu Helium. Dadurch entsteht ein nach außen gerichteter Druck, der die ständige Gravitationskraft ausgleicht, die Materie nach innen zieht. Ist der nukleare Brennstoff aufgebraucht, gerät dieses Gleichgewicht aus dem Gleichgewicht, und die Schwerkraft lässt den Kern kollabieren.
Bei M31-2014-DS1 hatte die durch den Kollaps des Kerns erzeugte Schockwelle nicht genügend Energie, um den Stern zur Detonation zu bringen.
„Wir nennen das eine fehlgeschlagene Supernova“, sagte Andrea Antoni, Astrophysiker am Flatiron Institute und Mitautor der Studie.
„Die Schwerkraft setzte sich durch und führte zur Entstehung eines Schwarzen Lochs“, sagte De. „Die äußere Hülle des Sterns wurde sanft abgestoßen, anstatt explosionsartig ausgestoßen zu werden. Als sich dieses Material ausdehnte und abkühlte, erzeugte es einen kurzzeitigen Anstieg der Infrarotstrahlung. Dann verlor der Stern seine zentrale Energiequelle und verschwand in verschiedenen Wellenlängenbereichen aus dem Blickfeld.“
Der Ausstoß der äußeren Schichten war etwa tausendmal weniger energiereich als eine Supernova, sagte Antoni.
„Damit der Stern so ‚leise‘ verschwinden und implodieren konnte, glauben wir, dass der Schlüssel darin liegt, dass er sich vor dem Kollaps nicht zu schnell drehte, sodass der größte Teil der Masse direkt nach innen fiel und nur die äußersten Schichten dabei abgestoßen wurden“, sagte Morgan McLeod, Astronomin an der Harvard University und Mitautorin der Studie.
Das neu entstandene Schwarze Loch hat eine Masse, die etwa fünfmal so groß ist wie die der Sonne.
Die Forscher wollen nun herausfinden, wie häufig Schwarze Löcher auf diese stille Weise entstehen. Sie haben bereits einen weiteren Stern identifiziert, der sich offenbar ohne Explosion in ein Schwarzes Loch verwandelt hat.
„Derzeit gibt es auf theoretischer Seite noch zu viele Unsicherheiten, um zu wissen, welcher Prozentsatz des Kollapses der Kerne massereicher Sterne letztendlich zur Bildung eines Schwarzen Lochs führt“, sagte Antoni.
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