Astronomen vom MIT, der Columbia University und anderen Institutionen nutzten das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA, um durch dicke Staubschichten in nahegelegenen Galaxien zu blicken und die Folgen zu untersuchen, wenn Schwarze Löcher Sterne verschlingen.Im Gegensatz zu aktiven Galaxien, die ständig Materie in der Nähe verschlingen, sind diese Schwarzen Löcher inaktiv und nur kurzzeitig aktiv, um Sterne zu verschlingen, die das Pech haben, vorbeizukommen.
Astronomen des MIT, der Columbia University und anderer Institutionen nutzten das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, um die Szene nach dem Sternenfest des Schwarzen Lochs durch den Staub nahegelegener Galaxien zu beobachten. Bildquelle: NRAO/AUI/NSF/NASA
Laut einer neuen Studie, die am 24. Juli in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, haben Forscher mit dem James Webb-Weltraumteleskop erstmals mehrere Gezeitenstörungsereignisse entdeckt. Diese seltenen kosmischen Phänomene treten auf, wenn ein Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie nahegelegene Sterne ansaugt und sie mit starken Gezeitenkräften auseinanderreißt, wodurch riesige Energieausbrüche freigesetzt werden.
Seit den 1990er Jahren haben Wissenschaftler etwa 100 Tidal Disruption Events (TDEs) dokumentiert, meist in Galaxien mit weniger Staub um sie herum, was die Beobachtung der resultierenden Röntgenstrahlung bzw. des sichtbaren Lichts erleichtert. Jüngste Erkenntnisse von MIT-Forschern deuten jedoch darauf hin, dass es möglicherweise noch viele weitere ähnliche sternzerstörende Ereignisse gibt, die einfach von dicken Gas- und Staubwolken verdeckt werden, sodass sie für herkömmliche Teleskope unsichtbar sind.
In früheren Arbeiten stellte das Team fest, dass die meisten Röntgenstrahlen und das sichtbare Licht, die durch Gezeitenstörungen emittiert werden, durch galaktischen Staub verdeckt werden und daher mit herkömmlichen Röntgen- und optischen Teleskopen nicht beobachtbar sind. Aber dasselbe Licht kann umgebenden Staub erwärmen und ein neues Signal in Form von Infrarotlicht erzeugen.
Jetzt haben dieselben Forscher das James Webb Space Telescope (JWST) – den leistungsstärksten Infrarotdetektor der Welt – verwendet, um Signale von vier Staubgalaxien zu untersuchen, bei denen sie vermuten, dass sie TDEs durchlaufen haben. Im Staub entdeckte JWST deutliche Spuren der Akkretion von Schwarzen Löchern. Akkretion ist der Prozess, bei dem Material, beispielsweise Fragmente eines Sterns, ein Schwarzes Loch umkreist und schließlich in dieses fällt. Das Teleskop entdeckte auch deutliche Muster im Staub, der aktive Galaxien umgibt, wo das zentrale Schwarze Loch kontinuierlich umgebendes Material absorbiert.
Zusammengenommen bestätigen diese Beobachtungen, dass es in diesen vier Galaxien tatsächlich zu Gezeitenstörungen kommt. Darüber hinaus kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die vier Ereignisse nicht durch aktive Schwarze Löcher verursacht wurden, sondern durch ruhende Schwarze Löcher, die wenig Aktivität zeigten, bis zufällig ein Stern vorbeizog.
Die neuen Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des James Webb-Weltraumteleskops, tiefer in ansonsten schwer fassbare Gezeitenstörungsereignisse einzutauchen. Sie helfen Wissenschaftlern auch dabei, wichtige Unterschiede in der Umgebung aktiver und ruhender Schwarzer Löcher aufzudecken.
„Dies ist das erste Mal, dass das James-Webb-Weltraumteleskop Gezeitenstörungsereignisse beobachtet hat, und sie sehen völlig anders aus als alles, was wir bisher gesehen haben“, sagte die Hauptautorin der Studie, Megan Masterson, eine Doktorandin am Kavli Institute for Astrophysics and Space Studies des MIT. „Wir haben herausgefunden, dass diese Ereignisse tatsächlich durch die Akkretion von Schwarzen Löchern verursacht werden und nicht wie die Umgebung um ein normales aktives Schwarzes Loch aussehen. Es ist aufregend, dass wir jetzt untersuchen können, wie die Umgebung eines ruhenden Schwarzen Lochs wirklich aussieht.“
Zu den MIT-Autoren der Studie gehören Christos Panagiotou, Erin Kara und Anna-Christina Eilers sowie Kishalay De von der Columbia University und Mitarbeiter mehrerer anderer Institutionen.
Die neue Studie erweitert frühere Forschungen, die das Team mit einem anderen Infrarotdetektor durchgeführt hat, der NEOWISE-Mission (Near-Earth Object Wide-Field Infrarot Survey Explorer) der NASA. Mit einem von Co-Autor Kishalay De von der Columbia University entwickelten Algorithmus durchsuchte das Team ein Jahrzehnt lang Daten des Teleskops und suchte nach Infrarot-„Transienten“, kurzen Spitzen in der Infrarotaktivität von ansonsten ruhigen Galaxien, die darauf hinweisen könnten, dass ein Schwarzes Loch kurzzeitig erwacht und einen vorbeiziehenden Stern verschluckt. Bei der Suche wurden etwa ein Dutzend Signale gefunden, bei denen das Team feststellte, dass sie wahrscheinlich durch Gezeitenstörungen verursacht wurden.
„Durch diese Studie haben wir 12 Quellen identifiziert, die wie Gezeitenstörungen aussehen“, sagte Masterson. „Wir haben viele Argumente dafür vorgebracht, dass diese Signale sehr energiereich waren und diese Galaxien zuvor nicht aktiv zu sein schienen, sodass diese Signale durch ein plötzliches Gezeitenstörungsereignis verursacht worden sein müssen. Aber abgesehen von diesen kleinen Fragmenten gab es keine direkten Beweise.“
Mithilfe der erhöhten Empfindlichkeit des James-Webb-Weltraumteleskops hoffen die Forscher, wichtige „Spektrallinien“ oder bestimmte Wellenlängen des Infrarotlichts erkennen zu können, um Bedingungen im Zusammenhang mit Gezeitenstörungsereignissen eindeutig identifizieren zu können.
„Mit NEOWISE können unsere Augen nur rotes oder blaues Licht sehen, während wir mit JWST den gesamten Regenbogen sehen können“, sagte Masterson.
In der neuen Studie suchte das Team speziell nach Infrarotwellenspitzen, die nur durch die Akkretion eines Schwarzen Lochs erzeugt werden können – den Prozess, bei dem Materie in einer zirkulierenden Gasscheibe zu einem Schwarzen Loch gezogen wird. Die Akkretion von Schwarzen Löchern erzeugt große Strahlungsmengen, die stark genug sind, um Elektronen aus einzelnen Atomen freizusetzen. Konkret kann dieser Akkretionsprozess mehrere Elektronen aus Neonatomen freisetzen, und die resultierenden Ionen können springen und dabei bestimmte Wellenlängen der Infrarotstrahlung freisetzen, die vom James Webb-Weltraumteleskop erfasst werden kann.
„Nichts anderes im Universum als die Akkretion von Schwarzen Löchern kann dieses Gas zu so hohen Energien anregen“, sagte Masterson.
Die Forscher suchten bei vier der zwölf zuvor identifizierten Kandidaten für Gezeitenstörungsereignisse nach diesem bestätigenden Signal. Zu den vier Signalen gehören: das nächstgelegene TDE, das bisher entdeckt wurde und sich in einer Galaxie befindet, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist; ein TDE, begleitet von einem Röntgenblitz; ein Signal, das von Gas erzeugt werden könnte, das mit extrem hoher Geschwindigkeit um das zentrale Schwarze Loch rotiert; und ein von einem optischen Blitz begleitetes Signal, bei dem Wissenschaftler zuvor vermuteten, dass es sich eher um eine Supernova-Explosion oder den Kollaps eines sterbenden Sterns als um einen TDE handelte.
„Diese vier Signale kommen einem eindeutigen Ereignis am nächsten“, sagte Masterson. „Aber die Daten des James-Webb-Weltraumteleskops helfen uns, eindeutig zu behaupten, dass es sich hierbei um echte Gezeitenstörungen handelt.“
Als das Team ein speziell entwickeltes Programm verwendete, um das James-Webb-Weltraumteleskop auf die vier Signalgalaxien zu richten, beobachteten sie deutliche Spektrallinien von allen vier Quellen. Diese Messungen bestätigen, dass es in allen vier Galaxien zur Akkretion von Schwarzen Löchern kommt. Aber die Frage bleibt: Handelt es sich bei dieser Akkretion um ein vorübergehendes Phänomen, das durch eine Gezeitenstörung und ein Schwarzes Loch ausgelöst wird, das kurzzeitig aufwacht und einen vorbeiziehenden Stern verschluckt? Oder ist diese Akkretion ein eher dauerhaftes Merkmal „aktiver“ Schwarzer Löcher, die immer aktiv sind? Wenn Letzteres der Fall ist, ist das Auftreten einer Gezeitenstörung weniger wahrscheinlich.
Um zwischen den beiden Möglichkeiten zu unterscheiden, nutzte das Team Daten des James-Webb-Weltraumteleskops, um eine andere Wellenlänge des Infrarotlichts zu entdecken, was auf das Vorhandensein von Silikaten oder Staub in der Galaxie schließen lässt. Anschließend erstellten sie Bilder dieses Staubs in vier Galaxien und verglichen sie mit Bildern aktiver Galaxien. Es ist bekannt, dass aktive Galaxien klumpenartige, donutförmige Staubwolken haben, die ihre zentralen Schwarzen Löcher umgeben. Masterson beobachtete, dass diese vier Staubquellen im Vergleich zu typischen aktiven Galaxien sehr unterschiedliche Muster zeigten, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch im Zentrum jeder Galaxie normalerweise nicht aktiv, sondern ruhend ist. Wenn sich um ein solches Schwarzes Loch eine Akkretionsscheibe bildete, schlussfolgerten die Forscher, muss dies das Ergebnis einer Gezeitenstörung sein.
„Zusammengenommen deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass die einzige Möglichkeit für diese Ausbrüche Gezeitenstörungen sind“, sagte Masterson.
Sie und ihre Kollegen planen, NEOWISE, JWST und andere Infrarotteleskope zu nutzen, um weitere bisher unentdeckte Gezeitenstörungsereignisse zu entdecken. Sie sagen, dass TDEs als wirksame Sonden für die Eigenschaften von Schwarzen Löchern dienen könnten, wenn genügend davon entdeckt würden. Beispielsweise kann die Frage, wie stark ein Stern auseinandergerissen wird und wie schnell sich seine Fragmente ansammeln und verzehren, Aufschluss über grundlegende Eigenschaften des Schwarzen Lochs geben, etwa seine Masse und Rotationsgeschwindigkeit.
„Der eigentliche Prozess, bei dem ein Schwarzes Loch die gesamte Materie des Sterns verschluckt, dauert sehr lange“, sagte Masterson. „Dies ist kein augenblicklicher Prozess. Hoffentlich können wir damit beginnen zu erforschen, wie lange dieser Prozess dauert und wie die Umgebung zu diesem Zeitpunkt war. Niemand weiß es, weil wir gerade erst anfangen, diese Ereignisse zu entdecken und zu studieren.“
Zusammengestellt von /scitechdaily