Überall am Himmel sind schwarze Löcher zu sehen, die Sterne auseinanderreißen. Das ist die Botschaft einer neuen Studie von MIT-Wissenschaftlern, die am 29. Januar im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. Die Autoren der Studie berichten, dass sie 18 neue Gezeitenstörungsereignisse (TDEs) entdeckt haben – Extremfälle, bei denen ein nahegelegener Stern durch die Gezeiten in ein Schwarzes Loch geschwemmt und in Stücke gerissen wird. Wenn ein Schwarzes Loch schlemmt, setzt es riesige Energiemengen im gesamten elektromagnetischen Spektrum frei.
Astronomen haben frühere Gezeitenstörungen entdeckt, indem sie nach charakteristischen Ausbrüchen im optischen und Röntgenwellenlängenbereich gesucht haben. Bisher haben diese Suchen etwa ein Dutzend sternzerstörende Ereignisse im nahen Universum aufgedeckt. Das vom MIT-Forschungsteam neu entdeckte Gezeitenstörungsereignis ist mehr als doppelt so hoch wie die Anzahl der bekannten Gezeitenstörungsereignisse im Universum.
Forscher entdeckten diese bisher „verborgenen“ Ereignisse durch ein unkonventionelles Wellenlängenband: Infrarot. TDEs emittieren nicht nur optische und Röntgenstrahlen, sondern können auch Infrarotstrahlung erzeugen, insbesondere in „staubigen“ Galaxien, in denen das zentrale Schwarze Loch von Galaxientrümmern umgeben ist. Staub in diesen Galaxien absorbiert und verdeckt häufig optisches und Röntgenlicht sowie alle Anzeichen von TDEs in diesen Bändern. Dabei erwärmt sich auch der Staub und erzeugt nachweisbare Infrarotstrahlung. Das Team fand heraus, dass Infrarotstrahlung als Signatur für Gezeitenstörungsereignisse dienen kann.
Durch Beobachtungen im Infrarotband entdeckte das MIT-Team weitere TDEs in Galaxien, in denen es zuvor solche Ereignisse gegeben hatte. Diese 18 neuen Ereignisse treten in verschiedenen Galaxientypen auf und sind über den Himmel verstreut.
„Die meisten dieser Quellen werden nicht in optischen Wellenlängen angezeigt“, sagte Erstautorin Megan Masterson, eine Doktorandin am Kavli Institute for Astrophysics and Space Studies des MIT. „Wenn man TDEs als Ganzes verstehen und sie zur Untersuchung der Populationsstruktur supermassereicher Schwarzer Löcher nutzen möchte, muss man sie im Infraroten beobachten.“ "
Weitere MIT-Autoren sind Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig und Robert Simcoe sowie Erin Kara, Assistenzprofessorin für Physik am MIT, und Mitarbeiter mehrerer Institutionen, darunter das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland.
Hitzespitze
Das Forschungsteam hat kürzlich durch Infrarotbeobachtungen die nächstgelegene TDE entdeckt. Diese Entdeckung eröffnet Astronomen eine neue infrarotbasierte Möglichkeit, nach aktiv speisenden Schwarzen Löchern zu suchen.
Diese erste Entdeckung veranlasste das Forschungsteam, mit der Suche nach weiteren TDEs zu beginnen. In der neuen Studie durchsuchten die Forscher archivierte Beobachtungsdaten von NEOWISE, einer aktualisierten Version des Wide Field Infrarot Survey Explorer der NASA. Das Satellitenteleskop wurde 2009 gestartet und scannte nach einer kurzen Pause weiterhin den gesamten Himmel auf der Suche nach Infrarot-„Transienten“ oder kurzen Ausbrüchen.
Das Team untersuchte die archivierten Beobachtungen der Mission mithilfe eines Algorithmus, der vom Co-Autor Kishalay De entwickelt wurde. Der Algorithmus kann Muster in der Infrarotstrahlung finden, die Anzeichen vorübergehender Infrarotstrahlungsausbrüche sein können. Anschließend verglich das Team die markierte transiente Strahlung mit einem Katalog aller bekannten nahegelegenen Galaxien in einem Bereich von 200 Megapascal pro Sekunde (oder 600 Millionen Lichtjahren). Sie fanden heraus, dass die Infrarottransienten auf etwa 1.000 Galaxien zurückgeführt werden können.
Anschließend verstärkten sie das Infrarot-Burst-Signal jeder Galaxie, um festzustellen, ob das Signal von einer anderen Quelle als TDEs stammte, beispielsweise einem aktiven galaktischen Kern oder einer Supernova. Nachdem diese Möglichkeiten ausgeschlossen wurden, analysierte das Team die verbleibenden Signale und suchte nach einem Infrarotmuster, das für einen TDE charakteristisch ist – ein scharfer Anstieg, gefolgt von einem allmählichen Rückgang, der den Prozess widerspiegelt, bei dem das Schwarze Loch den umgebenden Staub plötzlich auf etwa 1.000 Kelvin erhitzt, während er den Stern auseinanderreißt, und dann allmählich abkühlt.
Die Analyse ergab 18 „saubere“ Signale von Gezeitenstörungsereignissen. Die Forscher untersuchten die Galaxien, in denen jedes Gezeitenstörungsereignis festgestellt wurde, und stellten fest, dass sie in einer Reihe von Galaxien am Himmel auftraten, darunter auch staubige Galaxien.
„Wenn man in den Himmel schaut und eine Reihe von Galaxien sieht, sind TDEs normalerweise in allen vorhanden“, sagte Marston. „Es ist nicht so, dass sie nur in einem Galaxientyp auftauchen, das ist es, was die Leute aufgrund optischer und Röntgenuntersuchungen denken.“ "
Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University, sagte: „Jetzt haben wir die Möglichkeit, eine Zählung nahegelegener TDEs durch den Staub durchzuführen. Das Besondere an dieser Arbeit ist, dass es ein enormes Potenzial für Folgeforschung zu groß angelegten Infrarot-Himmelsdurchmusterungen gibt, und ich bin sehr gespannt, was sie entdecken werden.“ "
Erweiterung des Verständnisses von Gezeitenstörungsereignissen
Die Ergebnisse des Teams helfen bei der Beantwortung einiger wichtiger Fragen bei der Untersuchung von Gezeitenstörungsereignissen. Beispielsweise hatten Astronomen vor dieser Arbeit hauptsächlich Gezeitenstörungen in einem Galaxientyp beobachtet – einer „Post-Starburst“-Galaxie, die eine ehemalige Sternentstehungsfabrik war, aber seitdem inaktiv ist. Diese Art von Galaxie ist so selten, dass Astronomen sich nicht sicher sind, warum TDEs nur in diesen seltenen Galaxien aufzutreten scheinen. Tatsächlich sind diese Galaxien auch relativ staubarm, sodass die optische oder Röntgenemission des TDE natürlich einfacher zu erkennen ist.
Durch Infrarotbeobachtungen können Astronomen nun TDEs in mehr Galaxien erkennen. Die neuen Ergebnisse des Teams zeigen, dass Schwarze Löcher Sterne in einer Reihe von Galaxien verschlingen können, nicht nur in Post-Starburst-Galaxien.
Die Ergebnisse befassen sich auch mit einem Problem der „fehlenden Energie“. Physiker sagen theoretisch voraus, dass TDE-Strahlung mehr Energie haben sollte, als tatsächlich beobachtet wird. Aber das MIT-Forschungsteam sagt nun, dass Staub den Unterschied erklären könnte. Sie fanden heraus, dass, wenn eine TDE in einer Staubgalaxie auftritt, der Staub selbst nicht nur optische Strahlung und Röntgenstrahlung, sondern auch extreme Ultraviolettstrahlung in einer Menge absorbiert, die der abgeleiteten „fehlenden Energie“ entspricht.
Die 18 neuen Entdeckungen helfen Astronomen auch dabei, abzuschätzen, wie oft Gezeitenstörungen in bestimmten Galaxien auftreten. Als sie die neue TDE mit früheren Entdeckungen verglichen, schätzten sie, dass eine Galaxie alle 50.000 Jahre eine Gezeitenstörung erleben würde. Diese Frequenz kommt den theoretischen Vorhersagen der Physiker näher. Mit weiteren Infrarotbeobachtungen hofft das Team, das Auftreten von Gezeitenstörungsereignissen sowie die Eigenschaften der Schwarzen Löcher, die sie auslösen, aufzuklären.
„Die Leute haben sich sehr exotische Lösungen für diese Rätsel ausgedacht, und jetzt kommen wir an den Punkt, an dem wir sie alle lösen können“, sagte Kara. „Das gibt uns die Gewissheit, dass wir nicht all diese exotische Physik brauchen, um alles zu erklären, was wir sehen. Wir haben ein besseres Verständnis der Mechanismen, die dahinterstecken, wie Sterne auseinandergerissen und von Schwarzen Löchern gefressen werden. Wir bekommen ein besseres Verständnis dieser Systeme.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily