Quelle: ESA 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Zwei Astronomenteams haben mit dem ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton wiederholte Lichtausbrüche von inaktiven Schwarzen Löchern beobachtet, die immer wieder Sterne teilweise zerstören. Diese Entdeckung ist überraschend, da Ausbrüche von Schwarzen Löchern normalerweise nur einmal auftreten, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt.

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Ihre Masse reicht vom Hunderttausend- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotzdem sind Schwarze Löcher schwer zu untersuchen und bleiben geheimnisvoll, da sie Licht einfangen und nur schwer zu entdecken sind.

Ein verstecktes supermassereiches Schwarzes Loch kann aufgedeckt werden, wenn ein Stern auf seiner Umlaufbahn zu nahe an das Schwarze Loch herankommt. Der Stern wird durch starke Gezeitenkräfte auseinandergerissen und bildet eine Scheibe aus Sterntrümmern, von der sich das Schwarze Loch ernährt. Während dieses Vorgangs, der als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörungsereignis) bezeichnet wird, können energiereiche Röntgen-, UV-, optische und Radiostrahlung nachgewiesen werden.

Nicht komplett zerstört
Typische Gezeitenstörungsereignisse zeichnen sich durch einen hellen Lichtausbruch aus, der als „Flare“ bezeichnet wird. Er dauert einige Monate an, während derer das Schwarze Loch den Stern verschlingt. Mit XMM-Newton wurden jedoch zwei neue Flares mit eigenartigem Verhalten beobachtet. Diese Flares leuchten nach dem ersten Ausbruch wiederholt hell im Röntgen- und UV-Licht, was darauf hindeutet, dass die Sterne bei der ersten Begegnung mit den Schwarzen Löchern nicht vollständig zerstört wurden.

Die von den Astronomen Thomas Wevers von der Europäischen Südsternwarte und Zhu Liu vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleiteten Studien zeigen, dass ein Teil der Sterne den ersten Angriff der schwarzen Löcher überlebt haben könnte. Die Röntgen- und UV-Daten deuten darauf hin, dass Teile der Sterne nicht vollständig verschlungen werden. Sie setzen ihre Umlaufbahn fort und treffen erneut auf das zerstörerische Schwarze Loch, was zu wiederkehrenden Flares führt. Diese Aktivität wird als partielles Gezeitenstörungsereignis bezeichnet.

Die Forschenden fanden wiederholte Flares in zwei verschiedenen Galaxien, die supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Galaxien liegen weit außerhalb der Milchstraße in Entfernungen von fast 900 Millionen Lichtjahren und einer Milliarde Lichtjahren.

Eines der erneuten Helligkeitsereignisse mit der Bezeichnung eRASSt J045650.3-203750 wurde vom Röntgenteleskop eROSITA an Bord der Mission Spectrum-Roentgen-Gamma entdeckt. XMM-Newton-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022, die von einem Team unter der Leitung von Zhu Liu durchgeführt wurden, ergaben, dass auf den ursprünglichen Flare wiederholte Ausbrüche etwa alle 223 Tage folgten.

Zhu Liu erklärt: „Die Ergebnisse unserer ersten XMM-Newton-Beobachtung waren überraschend. Das Schwarze Loch zeigte eine ungewöhnlich starke Abschwächung des Röntgenlichts im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als es zwei Wochen zuvor vom eROSITA-Teleskop entdeckt worden war. Nachfolgende Beobachtungen mit XMM-Newton und anderen Instrumenten bestätigten unsere Vermutungen, dass dieses Verhalten durch ein partielles Gezeitenstörungsereignis verursacht wurde.“

Das andere Gezeitenstörungsereignis mit der Bezeichnung AT2018fyk wurde vom All-Sky Automated Survey for Supernovae-Projekt entdeckt. Sie leuchtete mindestens 500 Tage lang hell im UV- und Röntgenbereich, gefolgt von einer plötzlichen Abschwächung. Im Mai 2022 untersuchten Thomas Wevers und sein Team mit XMM-Newton einen starken Anstieg der Röntgen- und UV-Helligkeit 1200 Tage nach seinem ersten Auftreten.

Zurück auf Start
„Zunächst waren wir völlig verunsichert, was die Aufhellung bedeuten könnte. Wir mussten praktisch nochmal von vorn anfangen, um alle möglichen Erklärungen für das beobachtete Verhalten zu prüfen. Es war ein sehr aufregender Moment, als wir erkannten, dass das Modell eines sich wiederholenden Gezeitenstörungsereignisses die beobachteten Daten reproduzieren konnte“, fügt Wever hinzu.

Insgesamt wurden über fünf Tage lang Beobachtungen mit XMM-Newton durchgeführt, um die Veränderung des Röntgenlichts dieser Quellen zu verfolgen. Die extrem empfindliche European Photon Imaging Camera an Bord von XMM-Newton half dabei, das heiße Material, das die Schwarzen Löcher umgibt, im Detail zu untersuchen.

William Alston, ESA Research Fellow, erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: „Diese neuen Beobachtungen sind unglaublich interessant für die Untersuchung des Einflusses supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei typischen Gezeitenstörungsereignissen erwarten wir erst in einigen tausend Jahren einen zweiten Flare. Da sich die Flares so schnell wiederholen, muss die Umlaufbahn des zerstörten Sterns eng an das supermassereiche Schwarze Loch gebunden gewesen sein. Diese neuen Studien deuten darauf hin, dass der zerstörte Stern in eine enge Umlaufbahn gezogen wird, nachdem er durch das zentrale supermassereiche Schwarze Loch aus einem Doppelsternsystem herausgerissen wurde.“

Die Teams, die die neue Entdeckung gemacht haben, sind weltweit verteilt – neben XMM-Newton und eROSITA sind an den Studien auch andere Missionen beteiligt, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und die Nutzlast der Neutron Star Interior Composition Explorer Mission auf der Internationalen Raumstation. Die Zusammenarbeit ermöglichte es, diese beispiellosen kosmischen Ereignisse zu beobachten, zu modellieren und bis ins kleinste Detail zu verstehen.

Gewöhnlich dunkel und ruhig
Einige Galaxien sind ständig aktiv und stoßen Flares aus, da das supermassive Schwarze Loch ständig gasförmige Materie in seine Umlaufbahn zieht. Die beiden neuen von XMM-Newton beobachteten Ereignisse stammen jedoch von Schwarzen Löchern, die normalerweise dunkel und ruhig sind, bis sich ein Stern nähert. Es ist das erste Mal, dass mit diesen beiden Ereignissen wiederholte Lichtausbrüche aus inaktiven Galaxien nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Studien werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics und The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Seit ihrer Entdeckung in den 1990er Jahren wurden fast 100 Ereignisse von Gezeitenstörungen beobachtet. Die XMM-Newton-Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen sind entscheidend, um mehr über die ansonsten schwer zu beobachtenden supermassereichen Schwarzen Löcher zu erfahren, die im Zentrum großer Galaxien wie der unseren liegen.

Beide partiellen Gezeitenstörungsereignissen werden während der vorhergesagten Zeiträume künftiger Aufhellungsepisoden genau beobachtet, um die Ergebnisse zu bestätigen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Es kann sein, dass die Beobachter mit Stille konfrontiert werden, was darauf hindeutet, dass der Stern in der vorangegangenen Episode mit Flares völlig verschluckt wurde. Diesen Ereignissen stehen turbulente Zeiten bevor – und die Jagd nach ähnlichen partiellen Gezeitenstörungsereignissen beginnt.

Publikationen:
‚Live to die another day: the rebrightening of AT2018fyk as a repeating partial tidal disruption event‘ von T. Wevers et al. wird in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Vorabdruck: https://arxiv.org/abs/2209.07538

‘Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3−203750 : A likely repeating partial tidal disruption event’ von Z. Liu et al. wurde zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html

Die Ergebnisse des Teams wurden auf einer Pressekonferenz der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft (AAS) am Donnerstag, den 12. Januar 2023, vorgestellt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: ESON 30. November 2022.

30. November 2022 – Das VLT stellte fest, dass es sich um das am weitesten entfernte Beispiel eines solchen Ereignisses handelt, das jemals beobachtet wurde. Da der Jet fast auf uns gerichtet ist, wurde er auch zum ersten Mal mit sichtbarem Licht entdeckt, was eine neue Möglichkeit zur Entdeckung dieser extremen Ereignisse bietet.

Sterne, die zu nahe an ein schwarzes Loch herankommen, werden durch die enormen Gezeitenkräfte des schwarzen Lochs auseinandergerissen, was als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörung) bezeichnet wird. Bei etwa 1 % dieser Ereignisse werden Plasma- und Strahlungsjets von den Polen des rotierenden schwarzen Lochs ausgestoßen. 1971 stellte der Pionier der schwarzen Löcher, John Wheeler [1], das Konzept der Gezeitenstörung als „eine Zahnpastatube, die man in der Mitte fest zusammendrückt“ vor, wodurch das System „Materie aus beiden Enden ausstößt“.

„Wir haben bisher nur eine Handvoll dieser Jet-TDEs gesehen, und sie bleiben sehr exotische und schlecht verstandene Ereignisse“, sagt Nial Tanvir von der University of Leicester in Großbritannien, der die Beobachtungen zur Bestimmung der Entfernung des Objekts mit dem VLT leitete. Astronomen und Astronominnen sind daher ständig auf der Suche nach diesen extremen Ereignissen, um zu verstehen, wie die Jets eigentlich entstehen und warum nur ein so kleiner Teil der TDEs sie produziert.

Im Rahmen dieser Suche durchsuchen viele Teleskope, darunter die Zwicky Transient Facility (ZTF) in den USA, den Himmel immer wieder nach Anzeichen für kurzlebige, oft extreme Ereignisse, die dann von Teleskopen wie dem VLT der ESO in Chile viel genauer untersucht werden konnten. „Wir haben eine Open-Source-Datenpipeline entwickelt, die wichtige Informationen aus der ZTF-Durchmusterung speichert und auswertet und uns in Echtzeit vor atypischen Ereignissen warnt“, erklärt Igor Andreoni, Astronom an der University of Maryland in den USA, der zusammen mit Michael Coughlin von der University of Minnesota die heute in Nature veröffentlichte Arbeit geleitet hat.

Im Februar dieses Jahres entdeckte das ZTF eine neue Quelle sichtbaren Lichts. Das Ereignis mit der Bezeichnung AT2022cmc erinnerte an einen Gammastrahlenausbruch – die stärkste Lichtquelle im Universum. Die Aussicht, Zeuge dieses seltenen Phänomens zu werden, veranlasste Astronomen und Astronominnen aus aller Welt, mehrere Teleskope in Gang zu setzen, um die geheimnisvolle Quelle genauer zu beobachten. Dazu gehörte auch das VLT der ESO, das dieses neue Ereignis mit dem X-Shooter-Instrument umgehend beobachtete. Die VLT-Daten zeigten, dass sich die Quelle in einer für diese Ereignisse beispiellosen Entfernung befand: Das von AT2022cmc erzeugte Licht begann seine Reise, als das Universum etwa ein Drittel so alt war wie heute.

Eine breite Spanne von Licht, von hochenergetischer Gammastrahlung bis hin zu Radiowellen, wurde von 21 Teleskopen auf der ganzen Welt gesammelt. Das Team verglich diese Daten mit verschiedenen Arten von bekannten Ereignissen, von kollabierenden Sternen bis hin zu Kilonovae. Das einzige Szenario, das mit den Daten übereinstimmte, war eine seltene Jet-TDE, die auf uns gerichtet ist. Giorgos Leloudas, Astronom an der DTU Space in Dänemark und Mitautor dieser Studie, erklärt: „Weil der relativistische Jet auf uns gerichtet ist, ist das Ereignis viel heller, als es sonst erscheinen würde, und über einen größeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sichtbar.“

Die VLT-Entfernungsmessung ergab, dass AT2022cmc das am weitesten entfernte TDE ist, das je entdeckt wurde, aber das ist nicht der einzige rekordverdächtige Aspekt dieses Objekts. „Bisher wurden die wenigen bekannten Jet-TDEs zunächst mit Hochenergie-Gammastrahlen- und Röntgenteleskopen entdeckt, aber dies war die erste Entdeckung eines solchen Objekts bei einer optischen Durchmusterung“, sagt Daniel Perley, Astronom an der Liverpool John Moores University in Großbritannien und Mitautor der Studie. Dies zeigt einen neuen Weg zur Entdeckung von Jet-TDEs, der weitere Untersuchungen dieser seltenen Ereignisse und der extremen Umgebungen um schwarze Löcher ermöglicht.

Endnoten
[1] John Archibald Wheeler wird auch oft zugeschrieben, dass er 1967 in einer Rede vor der NASA den Begriff „schwarzes Loch“ prägte.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel mit dem Titel „A very luminous jet from the disruption of a star by a massive black hole“ in Nature veröffentlicht (doi: 10.1038/s41586-022-05465-8), https://www.nature.com/articles/s41586-022-05465-8.

Das Team besteht aus Igor Andreoni (Joint Space-Science Institute, University of Maryland, USA [JSI/UMD]; Department of Astronomy, University of Maryland, USA [UMD]; Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center [NASA/GSFC], USA), Michael W. Coughlin (School of Physics and Astronomy, University of Minnesota, USA), Daniel A. Perley (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK), Yuhan Yao (Division of Physics, Mathematics and Astronomy, California Institute of Technology, USA [Caltech]), Wenbin Lu (Department of Astrophysical Sciences, Princeton University, USA), S. Bradley Cenko (JSI/UMD; NASA/GSFC), Harsh Kumar (Indian Institute of Technology Bombay, Indien [IIT/Bombay]), Shreya Anand (Caltech), Anna Y. Q. Ho ( Department of Astronomy, University of California, Berkeley, USA [UCB]; Lawrence Berkeley National Laboratory, USA [LBNL]; Miller Institute for Basic Research in Science, USA), Mansi M. Kasliwal (Caltech), Antonio de Ugarte Postigo (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, Frankreich), Ana Sagués-Carracedo (The Oskar Klein Centre, Stockholm University, Schweden [OKC]), Steve Schulze (OKC), D. Alexander Kann (Instituto de Astrofisica de Andalucia, Glorieta de la Astronomia, Spanien [IAA-CSIC]), S. R. Kulkarni (Caltech), Jesper Sollerman (OKC), Nial Tanvir (Department of Physics and Astronomy, University of Leicester, UK), Armin Rest (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA [STScI]; Department of Physics and Astronomy, The Johns Hopkins University, USA), Luca Izzo (DARK, Niels Bohr Institute, Universität von Kopenhagen, Dänemark), Jean J. Somalwar (Caltech), David L. Kaplan (Center for Gravitation, Cosmology and Astrophysics, Department of Physics, University of Wisconsin-Milwaukee, USA), Tomás Ahumada (UMD), G. C. Anupama (Indian Institute of Astrophysics, Bangalore, Indien [IIA]), Katie Auchettl (School of Physics, University of Melbourne, Australien; ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions; Department of Astronomy and Astrophysics, University of California, Santa Cruz, USA), Sudhanshu Barway (IIA), Eric C. Bellm (DIRAC Institute, University of Washington, USA), Varun Bhalerao (IIT/Bombay), Joshua S. Bloom (LBNL; UCB), Michael Bremer (Institut de Radioastronomie Millimetrique, Frankreich [IRAM]), Mattia Bulla (OKC), Eric Burns (Department of Physics & Astronomy, Louisiana State University, USA), Sergio Campana (INAF-Osservatorio Astronomico di Brera, Italien), Poonam Chandra (National Centre for Radio Astrophysics, Tata Institute of Fundamental Research, Pune University, Indien), Panos Charalampopoulos (DTU Space, National Space Institute, Technische Universität von Dänemark, Dänemark [DTU]), Jeff Cooke (Australian Research Council Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australien [OzGrav]; Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Australien [CAS]), Valerio D’Elia (Space Science Data Center – Agenzia Spaziale Italiana, Italien), Kaustav Kashyap Das (Caltech), Dougal Dobie (OzGrav; CAS), Jose Feliciano Agüí Fernández (IAA-CSIC), James Freeburn (OzGrav; CAS), Cristoffer Fremling (Caltech), Suvi Gezari (STScI), Matthew Graham (Caltech), Erica Hammerstein (UMD), Viraj R. Karambelkar (Caltech), Charles D. Kilpatrick (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, Northwestern University, USA), Erik C. Kool (OKC), Melanie Krips (IRAM), Russ R. Laher (IPAC, California Institute of Technology, USA [IPAC]), Giorgos Leloudas (DTU), Andrew Levan ( Abteilun für Astrophysik, Radboud Universität, Niederlande), Michael J. Lundquist (W. M. Keck Observatory, USA), Ashish A. Mahabal (Caltech; Center for Data Driven Discovery, California Institute of Technology, USA), Michael S. Medford (UCB; LBNL), M. Coleman Miller (JSI/UMD; UMD), Anais Möller (OzGrav; CAS), Kunal Mooley (Caltech), A. J. Nayana (Indian Institute of Astrophysics, Indien), Guy Nir (UCB), Peter T. H. Pang (Nikhef, Niederlande; Institut für Gravitations- und subatomare Physik, Universität Utrecht, Niederlande), Emmy Paraskeva (IAASARS, Nationales Observatorium von Athen, Griechenland; Fachbereich Astrophysik, Astronomie und Mechanik, Universität Athen, Griechenland; Nordic Optical Telescope, Spanien; Fachbereich Physik und Astronomie, Universität Aarhus, Dänemark), Richard A. Perley (National Radio Astronomy Observatory, USA), Glen Petitpas (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA), Miika Pursiainen (DTU), Vikram Ravi (Caltech), Ryan Ridden-Harper (School of Physical and Chemical Sciences – Te Kura Matu, University of Canterbury, Neuseeland), Reed Riddle (Caltech Optical Observatories, California Institute of Technology, USA), Mickael Rigault (Université de Lyon, Frankreich), Antonio C. Rodriguez (Caltech), Ben Rusholme (IPAC), Yashvi Sharma (Caltech), I. A. Smith (Institute for Astronomy, University of Hawaii, USA), Robert D. Stein (Caltech), Christina Thöne (Astronomisches Institut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, Tschechische Republik), Aaron Tohuvavohu (Department of Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, Kanada), Frank Valdes (National Optical Astronomy Observatory, USA), Jan van Roestel (Caltech), Susanna D. Vergani (GEPI, Observatoire de Paris, PSL Research University, Frankreich; Institut d’Astrophysique de Paris, Frankreich), Qinan Wang (STScI), Jielai Zhang (OzGrav; CAS).

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (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 Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. 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.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Wissenschaftlicher Artikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2216/eso2216a.pdf

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