Quelle: ESON 18. Juli 2022.

18. Juli 2022 – „Zum ersten Mal hat unser Team gemeinsam über die Entdeckung eines schwarzen Lochs berichtet, anstatt ein solches zu widerlegen“, sagt Studienleiter Tomer Shenar. Außerdem stellten sie fest, dass der Stern, der das schwarze Loch entstehen ließ, ohne Anzeichen einer starken Explosion verschwand. Die Entdeckung wurde dank sechsjähriger Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) gemacht.

„Wir haben eine »Nadel im Heuhaufen« gefunden“, sagt Shenar, der die Studie an der KU Leuven in Belgien [1] begann und jetzt Marie-Curie-Stipendiat an der Universität Amsterdam in den Niederlanden ist. Obwohl es bereits andere ähnliche Kandidaten für schwarze Löcher gibt, behauptet das Team, dass dies das erste »ruhende« schwarze Loch mit stellarer Masse ist, das außerhalb unserer Galaxie eindeutig nachgewiesen werden konnte.

Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn massereiche Sterne das Ende ihres Lebens erreichen und unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen. In einem Doppelsternsystem, einem System aus zwei umeinander kreisenden Sternen, hinterlässt dieser Prozess ein schwarzes Loch, das einen leuchtenden Begleitstern umkreist. Das schwarze Loch ist »ruhend« oder »inaktiv«, wenn es keine starke Röntgenstrahlung aussendet, wodurch solche schwarzen Löcher normalerweise entdeckt werden. „Es ist unglaublich, dass wir kaum von ruhenden schwarzen Löchern wissen, wenn man bedenkt, für wie häufig Astronomen sie halten“, erklärt Co-Autor Pablo Marchant von der KU Leuven. Das neu entdeckte schwarze Loch hat mindestens die neunfache Masse unserer Sonne und umkreist einen heißen, blauen Stern mit der 25-fachen Masse der Sonne.

Ruhende schwarze Löcher sind besonders schwer zu entdecken, da sie kaum mit ihrer Umgebung interagieren. „Seit mehr als zwei Jahren suchen wir nach solchen schwarzen Löchern und Doppelsternsystemen“, sagt Co-Autorin Julia Bodensteiner, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der ESO in Deutschland. „Ich war sehr aufgeregt, als ich von VFTS 243 hörte, der meiner Meinung nach der überzeugendste Kandidat ist, der bisher beschrieben wurde.“ [2]

Um VFTS 243 zu finden, durchsuchte die Arbeitsgruppe fast 1000 massereiche Sterne in der Region des Tarantelnebels in der Großen Magellanschen Wolke, um diejenigen zu finden, die schwarze Löcher als Begleiter haben könnten. Die Identifizierung dieser Begleiter als schwarze Löcher ist extrem schwierig, da es sehr viele alternative Möglichkeiten gibt.

„Als Forscher, der in den letzten Jahren potenzielle schwarze Löcher entlarvt hat, war ich äußerst skeptisch gegenüber dieser Entdeckung“, sagt Shenar. Die Skepsis wurde von Co-Autor Kareem El-Badry vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian in den USA geteilt, den Shenar den »Zerstörer schwarzer Löcher« nennt. „Als Tomer mich bat, seine Ergebnisse zu überprüfen, hatte ich meine Zweifel. Aber ich konnte keine plausible Erklärung für die Daten finden, die kein schwarzes Loch beinhaltete“, erklärt El-Badry.

Die Entdeckung ermöglicht dem Team auch einen einzigartigen Einblick in die Prozesse, die die Entstehung schwarzer Löcher flankieren. Astronomen und Astronominnen vermuten, dass sich ein massereiches schwarzes Loch bildet, wenn der Kern eines sterbenden massereichen Sterns kollabiert, aber es ist nach wie vor ungewiss, ob dies mit einer gewaltigen Supernova-Explosion einhergeht.

„Der Stern, der das schwarze Loch in VFTS 243 geformt hat, scheint vollständig kollabiert zu sein, ohne Anzeichen einer vorherigen Explosion“, erklärt Shenar. „In letzter Zeit gibt es immer wieder Hinweise auf dieses Szenario des »direkten Kollapses«, aber unsere Studie liefert wohl einen der direktesten Hinweise. Dies hat enorme Auswirkungen auf den Ursprung der Verschmelzung schwarzer Löcher im Kosmos.“

Das schwarze Loch in VFTS 243 wurde mit Hilfe von sechsjährigen Beobachtungen des Tarantelnebels durch das Instrument Fibre Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) am VLT der ESO entdeckt [3].

Trotz des Spitznamens »Polizei der schwarzen Löcher« ermutigt das Team aktiv zur Nachforschung und hofft, dass ihre Arbeit, die heute in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, die Entdeckung weiterer schwarzer Löcher mit stellarer Masse ermöglichen wird, die massereiche Sterne umkreisen, von denen Tausende in der Milchstraße und in den Magellanschen Wolken vermutet werden.

„Natürlich erwarte ich, dass die Fachleute in diesem Bereich unsere Analyse sorgfältig prüfen und versuchen werden, alternative Modelle zu entwickeln“, schließt El-Badry. „Es ist ein sehr aufregendes Projekt, an dem ich beteiligt bin.“

Endnoten
[1] Die Studie wurde von einem Team unter der Leitung von Hugues Sana am Institut für Astronomie der KU Leuven durchgeführt.

[2] Eine weitere Studie unter der Leitung von Laurent Mahy, an der viele Mitglieder desselben Teams beteiligt sind und die zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen wurde, berichtet über einen weiteren vielversprechenden Kandidaten für ein schwarzes Loch mit stellarer Masse, nämlich das System HD 130298 in unserer Milchstraßengalaxie.

[3] Die in der Studie verwendeten Beobachtungen erstrecken sich über einen Zeitraum von etwa sechs Jahren: Sie bestehen aus Daten des VLT FLAMES Tarantula Survey (unter der Leitung von Chris Evans, United Kingdom Astronomy Technology Centre, STFC, Royal Observatory, Edinburgh; jetzt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA) aus den Jahren 2008 und 2009 sowie aus zusätzlichen Daten des Tarantula Massive Binary Monitoring Programme (unter der Leitung von Hugues Sana, KU Leuven) aus den Jahren 2012 bis 2014.

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in einem Artikel mit dem Titel „An X-ray quiet black hole born with a negligible kick in a massive binary of the Large Magellanic Cloud“ veröffentlicht, der in Nature Astronomy (doi: 10.1038/s41550-022-01730-y) erschienen ist.

Die Untersuchung, die zu diesen Ergebnissen geführt hat, wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant Agreement Nr. 772225: MULTIPLES) gefördert (PI: Sana).

Das Team besteht aus T. Shenar (Institut für Astronomie, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]; Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Universität Amsterdam, Amsterdam, Niederlande [API]), H. Sana (KU Leuven), L. Mahy (Königliches Observatorium von Belgien, Brüssel, Belgien), K. El-Badry (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA [CfA]; Harvard Society of Fellows, Cambridge, USA; Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland [MPIA]), P. Marchant (KU Leuven), N. Langer (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Deutschland, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland [MPIfR]), C. Hawcroft (KU Leuven), M. Fabry (KU Leuven), K. Sen (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Deutschland, MPIfR), L. A. Almeida (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasilien; Universidade do Estado do Rio Grande do Norte, Mossoró, Brasilien), M. Abdul-Masih (ESO, Santiago, Chile), J. Bodensteiner (ESO, Garching, Deutschland), P. Crowther (Department of Physics & Astronomy, University of Sheffield, UK), M. Gieles (ICREA, Barcelona, Spanien; Institut de Ciències del Cosmos, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spanien), M. Gromadzki (Astronomisches Observatorium, Universität Warschau, Polen [Warschau]), V. Henault-Brunet (Department of Astronomy and Physics, Saint Mary’s University, Halifax, Kanada), A. Herrero (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien [IAC]; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien [IAC-ULL]), A. de Koter (KU Leuven, API), P. Iwanek (Warschau), S. Kozłowski (Warschau), D. J. Lennon (IAC, IAC-ULL), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spanien), P. Mróz (Warschau), A. F. J. Moffat (Department of Physics and Institute for Research on Exoplanets, Université de Montréal, Kanada), A. Picco (KU Leuven), P. Pietrukowicz (Warschau), R. Poleski (Warschau), K. Rybicki (Warschau und Abteilung für Teilchenphysik und Astrophysik, Weizmann Institute of Science, Israel), F. R. N. Schneider (Heidelberger Institut für Theoretische Studien, Heidelberg, Deutschland [HITS]; Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Heidelberg, Deutschland), D. M. Skowron (Warschau), J. Skowron (Warschau), I. Soszyński (Warschau), M. K. Szymański (Warschau), S. Toonen (API), A. Udalski (Warschau), K. Ulaczyk (Department of Physics, University of Warwick, UK), J. S. Vink (Armagh Observatory & Planetarium, UK), und M. Wrona (Warschau).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronomen und Astronominnen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken. Außerdem fördern wir die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedsländern (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: ESON 15. Juni 2022.

15. Juni 2022 – Astronom*innen haben anhand von neuen Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) komplizierte Details der Sternentstehungsregion 30 Doradus, sichtbar gemacht, die auch unter dem Namen Tarantelnebel bekannt ist. Auf einem hochauflösenden Bild, das heute von der Europäischen Südsternwarte (ESO) veröffentlicht wurde und ALMA-Daten enthält, sehen wir den Nebel in einem neuen Licht: Hauchdünne Gaswolken geben Aufschluss darüber, wie massereiche Sterne diese Region beeinflussen.

„Diese Fragmente könnten die Überreste von einst größeren Wolken sein, die durch die enorme Energie zerfetzt wurden, die von jungen und massereichen Sternen freigesetzt wird – ein Prozess, der als Rückkopplung bezeichnet wird“, erläutert Tony Wong, der die Studie zu 30 Doradus leitete, die heute auf der Tagung der American Astronomical Society (AAS) vorgestellt und im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. Ursprünglich dachten die Astronom*innen, das Gas in diesen Gebieten sei zu dünn und zu sehr von dieser turbulenten Rückkopplung beeinträchtigt, als dass die Schwerkraft es zusammenziehen könnte, um neue Sterne zu bilden. Die neuen Daten zeigen jedoch auch viel dichtere Filamente, in denen die Schwerkraft noch eine wichtige Rolle spielt. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Schwerkraft selbst bei sehr starker Rückkopplung einen starken Einfluss ausüben und zu einer Fortsetzung der Sternentstehung führen kann“, fügt Wong hinzu, der Professor an der University of Illinois in Urbana-Champaign in den USA ist.

Der Tarantelnebel befindet sich in der Großen Magellanschen Wolke, einer Begleitgalaxie unserer eigenen Milchstraße, und ist eine der hellsten und aktivsten Sternentstehungsregionen in unserer galaktischen Nachbarschaft, etwa 170.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. In seinem Zentrum befinden sich einige der massereichsten Sterne überhaupt. Einige haben mehr als das 150-fache der Masse unserer Sonne, was die Region zu einem idealen Ort macht, um zu untersuchen, wie Gaswolken unter der Schwerkraft kollabieren und neue Sterne bilden.

„Was 30 Doradus so einzigartig macht, ist die Tatsache, dass die Region nah genug ist, um im Detail zu untersuchen, wie Sterne entstehen, und dass ihre Eigenschaften denen ähneln, die man in sehr weit entfernten Galaxien findet, als das Universum noch jung war“, erklärt Guido De Marchi, Wissenschaftler bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Mitautor der Studie, in der die neuen Forschungsergebnisse vorgestellt werden. „Dank 30 Doradus können wir untersuchen, wie Sterne vor 10 Milliarden Jahren entstanden sind, als die meisten Sterne geboren wurden.“

Während sich die meisten bisherigen Untersuchungen des Tarantelnebels auf sein Zentrum konzentrierten, wissen Astronom*innen seit langem, dass auch anderswo starke Sternentstehung stattfindet. Um diesen Prozess besser zu verstehen, führte das Team hochauflösende Beobachtungen durch, die eine große Region des Nebels abdecken. Mithilfe von ALMA maßen sie die Lichtemission von Kohlenmonoxidgas. Auf diese Weise konnten sie die großen, kalten Gaswolken im Nebel kartieren, die kollabieren und neue Sterne entstehen lassen – und wie sie sich verändern, wenn diese jungen Sterne riesige Mengen an Energie freisetzen.

„Wir hatten erwartet, dass die Teile der Wolke, die den jungen massereichen Sternen am nächsten sind, die deutlichsten Anzeichen dafür zeigen würden, dass die Schwerkraft durch die Rückkopplung überwältigt wird“, ergänzt Wong. „Stattdessen haben wir herausgefunden, dass die Schwerkraft in diesen rückkopplungsexponierten Regionen immer noch wichtig ist – zumindest für Teile der Wolke, die ausreichend dicht sind.“

In dem heute von der ESO veröffentlichten Bild werden die neuen ALMA-Daten mit einem früheren Infrarotbild derselben Region überlagert, das helle Sterne und leicht rosafarbene Wolken aus heißem Gas zeigt, die mit dem Very Large Telescope (VLT) und dem Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) der ESO aufgenommen wurden. Die Kompositaufnahme zeigt die ausgeprägte, netzartige Form der Gaswolken des Tarantelnebels, die ihm seinen spinnenartigen Namen gab. Die neuen ALMA-Daten sind dabei als die hellen rot-gelben Streifen im Bild dargestellt: sehr kaltes und dichtes Gas, das eines Tages kollabieren und Sterne bilden könnte.

Die neuen Forschungsergebnisse enthalten detaillierte Hinweise darauf, wie sich die Schwerkraft in den Sternentstehungsgebieten des Tarantelnebels verhält, aber die Arbeit ist noch lange nicht abgeschlossen. „Es gibt noch viel mehr mit diesem fantastischen Datensatz zu tun, und wir veröffentlichen ihn, um andere Forscher*innen zu neuen Untersuchungen zu ermutigen“, sagt Wong abschließend.

Weitere Informationen
Die hier dargestellten Forschungsergebnisse werden auf dem 240. Meeting der American Astronomical Society (AAS) im Rahmen der Pressekonferenz „Stars, Their Environments & Their Planets” (Mittwoch, 15. Juni, 19:15 CEST / 10:15 PT) präsentiert. Medienvertreter*innen sind herzlich eingeladen den Livestream der Pressekonferenz zu verfolgen, der über den YouTube-Kanal des AAS Press Office öffentlich zugänglich ist: https://www.youtube.com/c/AASPressOffice.

Die beteiligten Wissenschaftler*innen sind T. Wong (Astronomy Department, University of Illinois, USA), L. Oudshoorn (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden, Niederlande), E. Sofovich (Illinois), A. Green (Illinois), C. Shah (Illinois), R. Indebetouw (Department of Astronomy, University of Virginia, USA und National Radio Astronomy Observatory, USA), M. Meixner (SOFIA-USRA, NASA Ames Research Center, USA), A. Hacar (Department of Astrophysics, Universität Wien, Österreich), O. Nayak (Space Telescope Science Institute, USA), K. Tokuda (Department of Earth and Planetary Sciences, Faculty of Sciences, Kyushu University, Japan und National Astronomical Observatory of Japan, National Institutes of Natural Sciences, Japan und Department of Physics, Graduate School of Science, Osaka Metropolitan University, Japan), A. D. Bolatto (Department of Astronomy and Joint Space Science Institute, University of Maryland, USA und NRAO Visiting Astronomer), M. Chevance (Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg), G. De Marchi (European Space Research and Technology Centre, Niederlande), Y. Fukui (Department of Physics, Nagoya University, Japan), A. S. Hirschauer (STSci), K. E. Jameson (CSIRO, Space and Astronomy, Australien), V. Kalari (International Gemini Observatory, NSF’s NOIRLab, Chile), V. Lebouteiller (AIM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Université Paris Diderot, Frankreich), L. W. Looney (Illinois), S. C. Madden (Departement d’Astrophysique AIM/CEA Saclay, Frankreich), Toshikazu Onishi (Osaka), J. Roman-Duval (STSci), M. Rubio (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile) und A. G. G. M. Tielens (Department of Astronomy, University of Maryland, USA und Leiden).

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Über ALMA
Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

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Fachartikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2209/eso2209a.pdf

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