| | | Autor: Lars-C. Depka / 28. Januar 2010, 12:49 Uhr | Totentanz zweier Schwergewichte  Fast wie zu einer letzten großen Feier haben sie sich zusammengefunden. Ein dem Sternentod geweihter Wolf-Rayet-Stern umkreist ein stellares Schwarzes Loch. Gleichzeitig ist es das entfernteste bekannte seiner Art und stellt damit einen neuen Distanzrekord auf.
| Quelle: ESO | | | Schwarze Löcher haben einen schlechten Ruf. Häufig werden sie als alles verschlingende vagabundierende Bestien dargestellt, aus deren Fängen es kein Entrinnen gibt. Dabei sind sie überaus verlässlich und berechenbar. Und unter dem Strich betrachtet, lassen sie sich prinzipiell mit lediglich drei physikalischen Kenngrößen vollständig beschreiben: Masse, Rotationsimpuls sowie elektrische Ladung. Wobei letztere eher theoretischer Natur zu sein scheint, denn auch, wenn Schwarze Löcher (SL) bei ihrer Entsehung nicht zwangsläufig elektrisch neutral sein müssen, sollte doch die einfallende, elektrisch geladene Materie jede etwaig vorhandene Grundladung innerhalb kurzer Zeit ausgleichen.
Vielleicht etwas überraschend mutet in diesem Zusammenhang dann schon die Tatsache der großen Spannbreite bezüglich ihrer Massenkonzentrationen an, die (von den noch immer hoch hypotetischen primordialen SL einmal abgesehen) von bis zu 10 Sonnenmassen (SM) bei stellaren SL bis zu möglicherweise 109 SM bei supermassiven SL variieren kann.
Innerhalb der Milchstraße liegen die durchschnittlichen Massen stellarer SL typischerweise tatsächlich im Bereich von maximal 10 SM. Sie stellen das Endprodukt einer Kernkollaps-Supernova nach einem kurz und verschwenderisch geführten Leben von Sternen > acht Sonnenmassen dar. Verglichen mit ihrem Cousin der Spiralgalaxie NGC 300 jedoch, sind sie fast schon Leichtgewichte.
Künstlerische Darstellung des Wolf-Rayet/Schwarzes Loch-Binärsystems. Die genaue Natur des Materieflusses auf das Schwarze Loch ist nich nicht vollständig verstanden
(Bild: ESO) | Das in der sechs Millionen ly von der Erde entfernt nachgewiesene stellare SL vereinigt nicht weniger als 15 SM auf sich und ist erst das dritte bekannte Objekt dieser Art im gesamten Universum. Doch damit nicht genug, es ist darüber hinaus das erste bestätigte stellare SL außerhalb unserer kosmischen Nachbarschaft, der Lokalen Gruppe, sowie das entfernteste jemals vermessene dieser speziellen Familie der Schwarzen Löcher.
Den Duett-Partner innerhalb dieses kosmischen Reigens bildet ein ebenso seltenes, wie massereiches Objekt – ein sogenannter Wolf-Rayet-Stern (WR) von etwa 20 Sonnenmassen. Bei dieser Sternenart handelt es sich um weit in ihrer Entwicklung fortgeschrittene Gasriesen, die große Teile ihrer äußeren Hüllen als (super) Sternenwinde mit bis zu 4.000 km/s an das interstellare Medium abgeben. Ursächlich für diesen immens hohen Wert, der bei den WR zu einem Masseverlust von episodenweise 10 Sonnenmassen in 10.000 Jahren führt, ist ein durch Ablagerungen schwerer Elemente (häufig N und O) bedingter Aufheizungseffekt auf der Sternoberfläche, der einer effektiven Energieabstrahlung entgegensteht. Die Sternwinde sind also „strahlungsgetrieben“, das Licht des Sterns bläst sozusagen seine Hülle weg.
Verstärkend zum Massenverlust im vorliegenden Fall trägt das stellare SL bei, da es wie ein nimmersatter kosmischer Vampir kontinuierlich während der ca. 32-stündigen Orbitalperiode seinem Begleiter Materie entreißt. Allerdings ist die genaue Natur dieses Vorgangs noch nicht entgültig verstanden. Bei der Lösung dieser Fragestellung spielt die sogenannte Roche-Grenze eine nicht ganz unwesentliche Rolle, die im Lichte der zu untersuchenden Natur der Akkretionsscheibe allerdings als Grenze für die geometrische Form eines Körpers angesehen werden muss, innerhalb der der Körper als stabil gilt. Da der WR-Stern bei angenommenen 15–26 SM diese Roche-Grenze zu 80% bzw. 100% ausfüllt, liegt die Vermutung einer primären Massennachführung zum SL durch ein „Überfließen“ nahe. Im Gegensatz dazu diskutieren Clark & Crowther in einer 2004 veröffentlichten Arbeit die notwendigen Umstände einer möglichen „Sternenwind-gefütterten“ Akkretionsscheibe am Beispiel des IC10 X-1-Systems (ebenfalls ein Wolf-Rayet/Schwarzes Loch-Pärchen), innerhalb einer irregulären Zwerggalaxie in etwa 1,8 Mio. ly Entfernung. Akkretionsscheiben bilden sich vor dem Hintergrund des Drehimpulserhaltes um ein massereiches zentrales Objekt und rotieren nach dem dritten Keplerschen Gesetz, so dass dem massereichen Körper Materie in Richtung Zentrum zugeführt wird.
Auffällig, wenn auch nicht gezwungenermaßen evident – denn die Datenlage basiert auf lediglich zwei genauer untersuchten Systemen – ist der Umstand, dass sich ein gewisser Zusammenhang zwischen der Masse eines stellaren Schwarzen Loches und der Galaxienchemie seiner Muttergalaxis abzuzeichnen scheint. Die massereichsten stellaren Schwarzen Löcher treten nach derzeitiger Interpretation innerhalb von Zwerggalaxien auf, die sich neben ihrer geringen Sternpopulation vor allem durch die limitierte Metallizität ihrer Mitglieder auszeichnen. Der Begriff der „Metallizität“ wird typischerweise im Rahmen der Quantifizierung von schweren chemischen Elementen in Sternen verwendet. Als „Metalle“ werden dabei, abweichend von der chemischen Bedeutung dieses Begriffes, meist alle Elemente außer Wasserstoff und Helium bezeichnet.
6 Mio. Lichtjahre von der Erde entfernt befindet sich die Spiralgalaxie NGC300, in der der neue Rekordhalter für stellare Schwarze Löcher identifiziert wurde.
(Bild: ESO) | Größere Galaxien, so auch unsere Milchstraße, deren Mitglieder reicher an schweren Elementen sind, entwickeln im Gegensatz dazu stellare SL von maximal etwa zwei Dritteln der Masse derer der Zwerggalaxien.
In NGC300 scheinen also alle Vorzeichen gestimmt zu haben. Ein massereicher, metallarmer Vorgängerstern, der aufgrund einer geringen Metallizität nur einen schwachen Sternwind und damit moderate Masseverlustraten durchlebte, führte nach seinem kosmischen Ableben zur Bildung eines ebenfalls sehr massereichen stellaren Schwarzen Loches. In Anbetracht der bemerkenswert kurzen Orbitalperiode des Systems (32 h) muss der Radius des Vorgängersterns größer als der aktuelle Abstand der beiden jetzigen Komponenten des Systems gewesen sein, was wiederum extrem geringe Massenverlustraten des Vorgängers bedingt. Dies vorausgesetzt, ergeben sich Schwierigkeiten, Schwarze Löcher großer Massen mit geringen Orbitalseparationen zu vereinbaren, da derzeitige Evolutionsmodelle binärer Systeme dies im Detail nicht vorsehen.
Im Standardmodell der Systemevolution entwickelt ein solches System in einer bestimmten Phase seiner Entwicklung eine gemeinsame Hülle, die es von außen betrachtet als ein Objekt erscheinen lässt und endet, wie Podsiadlowski, Rappaport & Han 2003 postulieren, unweigerlich in einer Verschmelzung der beiden Komponenten. Ganz aktuell dazu veröffentlichen de Mink et al. 2009 eine Arbeit, wonach die kleine Orbitalperiode aus einer gebundenen stellaren Rotation resultiert, welche eine homogene chemische Evolution beider Komponenten mit sich bringt. In diesem Szenario verbleiben die Binärkomponenten in einem kompakten Zustand und umgehen auf diese Weise die hohen Massentransferraten der „Roche-Grenze-Überfluss-Systeme“.
Sollten die Systeme in NGC300 und IC10 ihre jeweiligen zweiten Explosionen (Supernovae der WR-Sterne) überstehen, ist die Ausformung eines binären Schwarzen Loch-Systems in den jeweiligen Galaxien zu erwarten, die dort in Zeitskalen von einigen Milliarden Jahren zu einem einzigen je Galaxie verschmelzen werden. Schlüssig nachgewiesen sind die Verschmelzungen binärer Systeme stellarer Schwarzer Löcher bislang nicht, mit Hilfe einzelner Gravitationswellenexperimente wie LIGO oder auch Virgo soll dieser Nachweis allerdings mittelfristig erbracht werden.
Raumcon:
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