Quelle: MPE 2. Mai 2024.

2. Mai 2024 – Jüngste Fortschritte in der Radioastronomie haben zur Entdeckung von schwachen Radioquellen geführt, den so genannten Odd Radio Circles (ORCs). Diese neue Kategorie extragalaktischer Quellen zeichnet sich durch ihre einzigartige Morphologie aus, eine ringförmige Emission mit besonders hellen und klumpigen Rändern sowie helle und unregelmäßige Emissionsspitzen im Zentrum. Der Kleeblatt-ORC ist ziemlich nah – sein Licht musste „nur“ etwa 600 Millionen Jahre reisen, um uns zu erreichen (Rotverschiebung 0,046). Erste Beobachtungen deuteten auf eine mögliche Verbindung mit einer elliptischen Zentralgalaxie hin.

Eine bahnbrechende Studie unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) hat den Kleeblatt-ORC nun mit dem XMM-Newton-Observatorium ins Visier genommen. Die intensive Analyse des Teams hat zu unerwarteten Ergebnissen geführt. „Auch wenn die Quelle in den Daten des Röntgenteleskops eROSITA nur schwach zu erkennen ist, wollten wir uns dieses faszinierende System genauer ansehen und hatten das Glück, die nötige Teleskopzeit zu erhalten“, erläutert Esra Bulbul, die die Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) leitet. „Zu unserer Überraschung ist die von uns entdeckte ausgedehnte Röntgenemission quer zur Radioemission ausgerichtet.“

Das Forschungsteam hat zwei auffällige Spitzen identifiziert, die beide faszinierende Eigenschaften aufweisen. Der südliche Röntgenpeak, der genau mit der hellsten Radioemission übereinstimmt, hat ein optisches Gegenstück, eine elliptische Zentralgalaxie. Im Gegensatz dazu weist der nordöstliche Peak rätselhafte Merkmale auf, er hat weder ein optisches Gegenstück noch entspricht er einer hellen Radioquelle. Weitere Untersuchungen des diffusen Röntgengases, das den Kleeblatt-ORC umgibt, deuten darauf hin, dass sich der ORC in einer mit Gas gefüllten Region befindet, die den Raum innerhalb der kleinen Galaxiengruppen durchdringt.

Das Team entdeckte eindeutige Hinweise darauf, dass sich das Kleeblatt-ORC-System mitten in einer Verschmelzung befindet. Bei einer genaueren Untersuchung einzelner Galaxien innerhalb des Systems fanden die Forscher erhebliche Störungen in deren Morphologie, insbesondere in Richtung Osten. Die Studie zeigt auch eine Untergruppe mit hohen Geschwindigkeiten, die bei optischen Wellenlängen erkennbar ist. Zusammen mit der gestörten Morphologie der Röntgenemission des gruppeninternen Mediums ist dies ein deutlicher Hinweis auf eine aktuelle Verschmelzung innerhalb des Kleeblatt-ORC. Signifikante Abweichungen zwischen Galaxien und Röntgengas werden häufig bei der Verschmelzung großer Galaxienhaufen beobachtet, sind aber innerhalb von Galaxiengruppen selten. Xiaoyuan Zhang, Postdoktorand am MPE und Zweitautor der Studie, betont, wie wichtig tiefere Röntgenbeobachtungen sind, um die thermische Geschichte des gruppeninternen Mediums zu verfolgen und tiefere Einblicke in das Fusionsszenario zu gewinnen. „Wenn wir die thermische Geschichte des gruppeninternen Mediums aufspüren wollen, die Aufschluss über das Verschmelzungsszenario geben würde, brauchen wir in Zukunft tiefere Röntgenbeobachtungen“, kommentiert Zhang.

Da bisher nur acht ORCs bekannt sind, muss jede mögliche Erklärung für ihren Ursprung die Frage beantworten, warum sie so selten sind. Die führende Theorie über die Seltenheit von ORCs besagt, dass nur wenige geometrische Faktoren zu ihrer Beobachtung im Zusammenhang mit solchen Verschmelzungen führen. Eine faszinierende Hypothese zu dem beobachteten starken Radiosignal besagt, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher innerhalb des ORC in der Vergangenheit Phasen intensiver Aktivität durchlaufen haben. Die durch diese Aktivität beschleunigten Elektronen könnten durch die laufende Verschmelzung wieder beschleunigt werden und so zu dem beobachteten starken Radiosignal beitragen. „Obwohl das Verschmelzungsszenario die Eigenschaften des Kleeblatt-ORCs auf natürliche Weise erklärt, müssen wir vorsichtig sein, da es sich nur um ein einziges System handelt“, betont Esra Bulbul. „Durch umfassende Beobachtungen über einen weiten Wellenlängenbereich wollen wir auch die Ursachen für andere ORCs entschlüsseln.“

Hinweis
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ der Europäischen Union gefördert („grant agreement No 101002585“).

Originalveröffentlichung
E. Bulbul, X. Zhang, M. Kluge et al.
Unraveling the galaxy group merger origin of the Cloverleaf odd radio circle system
A&A, 685, L2 (2024)
dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202449900
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/05/aa49900-24/aa49900-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/05/aa49900-24.pdf

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• Radioastronomie

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Quelle: Universität Wien 12. April 2024.

12. April 2024 – Ein internationales Forscher*innenteam unter der Leitung der Astrophysikerin Kristina Kislyakova von der Universität Wien war erstmals in der Lage, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen: Indem die Röntgen-Emission der Astrosphären dieser Sterne aufgezeichnet wurde, konnte ihr Masseverlust über die Sternwinde bestimmt werden. Auf den untersuchten Sternen weht demnach ein 10- bis 66-fach stärkerer Sternenwind als in unserem Sonnensystem. Die Studie wurde aktuell in Nature Astronomy veröffentlicht.

So wie die Heliosphäre unser Sonnensystem umgibt, werden andere Sterne durch eine Astrosphäre umgeben – vorstellbar als eine Art sehr heiße Plasmablase, die von stellaren Winden in das interstellare Medium, einen Raum voll Gas und Staub, geblasen wird. Diese Sternenwinde treiben viele Prozesse an, die zentral für das Verständnis der stellaren und planetaren Entwicklung in diesen Sternensystemen sind, beispielsweise die Verdampfung der Atmosphären von Planeten und den damit verbundenen Masseverlust. Pro Jahr gesehen ist dieser Masseverlust von Planetenatmosphären zwar winzig, über lange geologische Zeiträume sind diese Verluste jedoch mitentscheidend dafür, ob sich ein Planet zu einer bewohnbaren Welt oder zu einem luftleeren Felsen entwickelt.

Bisher gab es jedoch für die Existenz dieser Sternenwinde bei sonnenähnlichen Sternen (so genannten Hauptreihensternen, also quasi Sternen in der Blüte ihres Lebens) nur indirekte Hinweise. Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Kristina Kislyakova, Senior Scientist am Institut für Astrophysik der Universität Wien, gelang es nun erstmals, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen und den von ihnen verursachen Masseverlust des Sterns zu messen.

Dafür nutzte das Team die Röntgen-Emission: Stellare Winde bestehen hauptsächlich aus Protonen und Elektronen, enthalten aber auch eine kleine Menge schwererer, hochgeladener Ionen (z. B. Sauerstoff, Kohlenstoff). Diese Ionen senden Röntgenstrahlen aus, indem sie Elektronen aus dem neutralen interstellaren Medium um den Stern herum fangen.

Den Durchbruch der Gruppe streicht auch Koautor Manuel Güdel, Leiter der Forschungsgruppe „Stern- und Planetenentstehung“ am Institut für Astrophysik der Universität Wien hervor: „Seit drei Jahrzehnten bemühten sich weltweit viele Gruppen, Winde um sonnenähnliche Sterne nachzuweisen und ihre Stärke zu messen, doch bisher gab es nur indirekte Hinweise auf die Existenz solcher Winde, die auf ihren sekundären Effekten auf den Stern oder seine Umgebung beruhten.“ Seine Forschungsgruppe habe zuvor versucht, die Radio-Emission der Winde zu erfassen, konnte aber nur obere Grenzwerte für die Windstärke angeben, nicht jedoch die Winde selbst nachweisen. „Unsere neuen röntgenbasierten Ergebnisse ebnen nun den Weg, diese Winde direkt zu finden und sogar abzubilden und ihre Wechselwirkungen mit den umliegenden Planeten zu untersuchen“, so Güdel.

Röntgenemission von Astrosphären entdeckt
Dem Team gelang es mithilfe von Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop XMM-Newton, diese Röntgenemission der Astrosphären sonnenähnlicher Sterne erstmals direkt nachzuweisen und von den Röntgenemissionen der Sterne selbst zu trennen. Dadurch konnten zum ersten Mal stellare Winde direkt aufgezeichnet werden und die Massenverlustrate der Sterne über ihre Sternwinde berechnet werden.

Über die Analyse der spektralen Fingerabdrücke (so genannter Spektrallinien) der Sauerstoff-Ionen bestimmten die Forscher*innen die Sauerstoffmenge und letztlich die Gesamtmasse des von den Sternen ausgestoßenen Sternwindes. Dabei zeigte sich, dass die stellaren Winde bei den untersuchten Sternen (70 Ophiuchi, epsilon Eridani und 61 Cygni) deutlich stärker wehen: Die Massenverlustrate wird im Fall des Sterns 70 Ophiuchi auf das 66,5±11,1-fache, im Fall der Sterne epsilon Eridani und 61 Cygni auf das 15,6±4,4 bzw. 9,6±4,1-fache der Massenverlustrate unserer Sonne geschätzt. Ursache für die stärkeren Winde könnte die stärkere magnetische Aktivität dieser Sterne erklärt sein.

Sonnensystem als natürliches Labor
„Innerhalb unseres Sonnensystems wurde die Emission des Ladungsaustausch bereits bei Planeten, Kometen und in der Heliosphäre beobachtet – hier haben wir also quasi ein natürliches Labor, um die Zusammensetzung des Sonnenwinds zu untersuchen“, erklärt die Hauptautorin der aktuell im Journal Nature Astronomy publizierten Studie, Kristina Kislyakova. Die Beobachtung dieser Emission von weit entfernten Sternen sei aber natürlich aufgrund der Schwäche des Signals ungleich schwieriger: „Außerdem ist es aufgrund der Entfernung zu den Sternen sehr kompliziert, das von der Astrosphäre ausgesendete Signal von der tatsächlichen Röntgenemission des Sterns selbst zu trennen, auch weil ein Teil dieser Emissionen aufgrund instrumenteller Effekte über das Sichtfeld des Teleskops ,gestreut‘ wird. Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der die Röntgen-Emissionen des Sterns von denen der Astrosphäre trennt. Zudem konnten wir Signale für den Ladungsaustausch identifizieren, die von Sauerstoff-Ionen aus dem Sternwind und dem umgebenden neutralen interstellaren Medium von drei Hauptreihensternen stammen.“ Die geschätzten Massenverlustraten können künftig als Maßstab für Sternwindmodelle dienen und erweitern die bisherigen begrenzten Beobachtungsdaten für die Winde von sonnenähnlichen Sternen.

Originalpublikation in Nature Astronomy:
K.G. Kislyakova, M. Güdel, D. Koutroumpa, J.A. Carter, C.M. Lisse, S. Boro Saikia: X-ray detection of astrospheres around three main-sequence stars and their mass-loss rates. 2024.
DOI : 10.1038/s41550-024-02222-x
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02227-6

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• Sternentwicklung

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Quelle: AIP 15. Juni 2023.

15. Juni 2023 – Der neue Weiße-Zwerg-Pulsar, ein extrem enges Doppelsternsystem aus einem Weißen und einem Roten Zwergstern, die gemeinsam in die Sonne passen würden, ist erst das zweite bekannte seiner Art.

Weiße Zwerge sind extrem verdichtete Sternreste mit der Masse unserer Sonne aber der geringen Größe unseres Planeten Erde. Sie entstehen, wenn ein Stern mit geringer Masse seinen gesamten Brennstoff verbrannt hat, seine äußeren Schichten verliert und sein Inneres stark kontrahiert. Sie werden auch als „stellare Fossilien“ bezeichnet und bieten Einblicke in verschiedene Aspekte der Sternentwicklung.

Pulsare hingegen sind seit den 1960er Jahren bekannt und man kennt mehr als 3000 davon. Dabei handelt es sich um schnell rotierende, stark magnetische Neutronensterne, in denen geladene Teilchen durch ultrastarke elektrische Felder aus der Oberfläche gerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. In Folge dessen senden sie Strahlung, also Licht, aus, und das vom Radio- bis in den Röntgen- oder sogar Gammabereich. Wegen der schnellen Rotation der Sterne treffen jeweils kurze Pulse der Strahlung an der Erde ein, womit sich die Namensgebung – Pulsar – begründet.

Zur großen Überraschung der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde im Jahr 2016 erstmals das Pulsarphänomen auf einem Weißen Zwerg beobachtet. Die Überraschung lag darin, dass in diesem Stern, AR Scorpii, weder die extrem schnelle Rotation noch die starken elektrischen Felder der eigentlichen Pulsare vorhanden waren. Der Weiße Zwergstern jedoch war in einem sehr engen Doppelsternsystem anzutreffen und wurde von seinem unmittelbaren Nachbarn, einem sonnenähnlichen Roten Zwergstern, durch Injektion in sein Magnetfeld mit Teilchen versorgt. Dadurch wird das Pulsarphänomen von außen entfacht und der rote Begleitstern wie mit einem Stroboskop bestrahlt, so dass das gesamte System in regelmäßigen Abständen dramatisch heller und schwächer wird. Die beiden Sterne, der Weiße und der Rote Zwerg, sind so eng benachbart, dass sie in unsere Sonne hineinpassen würden.

Entscheidend ist das Vorhandensein eines starken Magnetfeldes, dessen Ursache Astrophysikerinnen und Astrophysiker jedoch nicht kennen. Eine Schlüsseltheorie, die die starken Magnetfelder erklärt, ist das „Dynamomodell“ – es besagt, dass Weiße Zwerge Dynamos, elektrische Generatoren, in ihrem Kern haben, so wie die Erde, nur viel stärker. Um diese Theorie zu überprüfen, mussten Forschende jedoch nach anderen Weißen-Zwerg-Pulsaren suchen, um zu sehen, ob ihre Vorhersagen zutreffen.

In zwei neuen Studien, die parallel in Nature Astronomy und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden, beschreibt ein internationales Team unter Beteiligung des AIP den neu entdeckten Weißen-Zwerg-Pulsar J1912-4410 (eRASSU J191213.9-441044). Er ist 773 Lichtjahre von der Erde entfernt und dreht sich in fünf Minuten einmal um die eigene Achse, also 300-mal schneller als unser Planet. Der Weiße-Zwerg-Pulsar hat eine ähnliche Größe wie die Erde, aber eine Masse, die mindestens so groß ist wie die der Sonne. Das bedeutet, dass ein Teelöffel Weißer Zwerg etwa 15 Tonnen wiegen würde. Weiße Zwerge beginnen ihr Leben bei extrem hohen Temperaturen, bevor sie über Milliarden von Jahren abkühlen. Die niedrige Temperatur von J1912-4410 deutet auf ein hohes Alter hin.

Die Studie bestätigt, dass es weitere Weiße-Zwerg-Pulsare gibt, wie von früheren Modellen vorhergesagt. Es gab noch weitere Vorhersagen des Dynamomodells, die durch die Entdeckung von J1912-4410 bestätigt wurden. Aufgrund ihres hohen Alters sollten die Weißen Zwerge in dem Pulsarsystem kühl sein. Ihre Begleiter sollten nahe genug sein, dass die Anziehungskraft des Weißen Zwerges in der Vergangenheit stark genug war, um dem Begleiter Masse zu entziehen, was dazu führt, dass sie sich schnell drehen. Alle diese Annahmen treffen auf den neu entdeckten Pulsar zu: Der Weiße Zwerg ist kühler als 13.000 Kelvin, hat eine hohe Rotationsfrequenz von etwa fünf Minuten, und die Anziehungskraft des Weißen Zwerges hat eine starke Wirkung auf den Begleiter.

Ein Team nutzte Daten von Gaia und WISE, um Kandidaten zu finden, und konzentrierte sich auf solche, die ähnliche Eigenschaften wie AR Scorpii aufweisen. Nachdem sie ein paar Dutzend Kandidaten beobachtet hatten, fanden sie einen mit sehr ähnlichen Lichtvariationen wie AR Scorpii. Eine Folgebeobachtung mit anderen Teleskopen ergab, dass dieses System etwa alle fünf Minuten ein Radio- und Röntgensignal in Richtung Erde sendet. Ein anderes Team nutzte Daten des Röntgenteleskops eROSITA auf dem Satelliten Spektrum-Röntgen-Gamma, um enge Weißer-Zwerg/Roter-Zwerg-Paare zu finden. Beide Teams schlossen sich zusammen, um ihre neue Entdeckung weiter zu untersuchen.

„Wir freuen uns sehr, dass wir das Objekt in der mit SRG/eROSITA durchgeführten Röntgendurchmusterung gefunden haben“, bemerkt Dr. Axel Schwope, Leiter der Gruppe Röntgenastronomie am AIP und Erstautor der in Astronomy & Astrophysics erschienen Studie. „Die Folgeuntersuchung mit dem ESA-Satelliten XMM-Newton zeigte die Pulsationen im hochenergetischen Röntgenbereich, der letzte fehlende Beweis, um das Objekt als Weißen-Zwerg-Pulsar zu identifizieren. Damit bestätigten wir die ungewöhnliche Natur des neuen Objekts und etablierten die Weißen-Zwerg-Pulsare als eine neue Klasse, wenn auch derzeit nur mit zwei Vertretern.“

Dr. Ingrid Pelisoli vom Institut für Physik der Universität Warwick und Erstautorin der Nature-Studie, fügt hinzu: „Der Ursprung von Magnetfeldern ist eine große offene Frage in vielen Bereichen der Astronomie, und dies gilt insbesondere für Weiße Zwerge. Die Magnetfelder in Weißen Zwergen können mehr als eine Million Mal stärker sein als das Magnetfeld der Sonne, und das Dynamomodell hilft zu erklären, warum. Die Entdeckung von J1912-4410 ist ein entscheidender Schritt nach vorn in diesem Bereich.“

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichungen
X-ray properties of the white dwarf pulsar eRASSU J191213.9−441044. A. Schwope, T. R. Marsh, A. Standke, I. Pelisoli, S. Potter, D. Buckley, J. Munday, V. Dhillon. A&A 674 L9 (2023), doi.org/10.1051/0004-6361/202346589, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2023/06/aa46589-23/aa46589-23.html;
Pelisoli, I., Marsh, T.R., Buckley, D.A.H. et al. A 5.3-min-period pulsing white dwarf in a binary detected from radio to X-rays. Nat Astron (2023), doi.org/10.1038/s41550-023-01995-x, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01995-x.

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• Weisse Zwerge
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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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: Max-Planck-Gesellschaft.

20. März 2019 Materie und Energie, die aus dem Zentrum einer Galaxie abfließen, gelten als wichtige Akteure bei der Entstehung und Entwicklung von Sternsystemen und anderen Strukturen im Universum. Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching haben nun im Röntgenlicht zwei breite Kamine aus Gas entdeckt, welche die inneren Bereiche des Zentrums der Milchstraße nördlich und südlich der galaktischen Ebene mit Strukturen viel weiter außen verbinden.

Unsere Milchstraße ist eine eher ruhige Galaxie, gigantische Energieausbrüche aus ihrem Herzen sind selten. Dennoch haben Astronomen bereits vor längerem nahe dem galaktischen Zentrum, das durch die Radioquelle Sagittarius A* gekennzeichnet ist, bipolare Ausbuchtungen nachgewiesen. Diese Flügel oder Lobes sind sowohl im Radio- als auch im Röntgenlicht zu sehen. Sie zeigen Ausflüsse aus dem Zentrum und reichen bis zu Entfernungen von lediglich etwa 50 Lichtjahren.

Viel weiter draußen existieren die ebenfalls schon seit einiger Zeit bekannten beiden Fermiblasen, welche die Strahlung von relativistisch bewegten Teilchen im Gammalicht nachzeichnen und sich jeweils etwa 25.000 Lichtjahre weit über die galaktische Ebene hinaus erstrecken. In der Vergangenheit müssen in unserer Galaxie also offenbar große Energiemengen freigesetzt worden sein.

Die von dem Team nun gefundenen beiden markanten Röntgenstrukturen, von den Forschern „Kamine“ genannt, scheinen die Flügel in den inneren Regionen des galaktischen Herzens mit den Fermiblasen zu verbinden. „Vor ein paar Jahren haben wir mit Röntgenbeobachtungen direkt über dem galaktischen Zentrum eine überdichte Region aus heißem Plasma entdeckt. Daher wollten wir mit dem europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton jetzt einen viel größeren Bereich scannen,“ sagt der frühere Max-Planck-Forscher Gabriele Ponti, Hauptautor der in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit.

Tatsächlich konnten die Wissenschaftler mit ihren neuen Messungen nicht nur die Existenz dieses heißen Plasmas eindeutig bestätigen, sondern auch seine Form und Beschaffenheit bestimmen. Zudem entdeckten sie die Kamine, die sich über Hunderte von Lichtjahren nördlich und südlich des galaktischen Zentrums erstrecken. Dies werten die Forscher als deutlichen Hinweis darauf, dass die beide Strukturen einen gemeinsamen Ursprung haben müssen.

Wahrscheinlich bestehen sie aus Gas, dass in einem schnellen und kalten Strom beidseits und senkrecht zur galaktischen Ebene ausgestoßen wird. Dieser Abfluss könnte entweder von Sternen stammen, die durch das massereiche schwarze Loch im Herzen unserer Galaxie zerrissen werden, oder von Supernova-Explosionen im zentralen Sternhaufen. Derartige Ereignisse könnten kontinuierlich Energie und Masse aus dem Zentrum blasen und diese weiter bis zu den Fermiblasen transportieren.

„Die Kamine sind etwa zylindrisch geformt und in vertikaler Richtung scharf abgegrenzt. Höchstwahrscheinlich werden sie durch einen magnetischen Druck eingedämmt“, sagt Florian Hofmann vom Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Zudem seien die beiden Kamine nicht streng symmetrisch: „Das ist vermutlich eine Folge des galaktischen Wetters, gleichsam ein Wechselspiel mit lokalen Wolken des interstellaren Mediums“, so Hofmann.

Laut Eugene Churazov vom Max-Planck-Institut für Astrophysik erinnern die Fermiblasen an Strukturen, die durch sehr energiereiche Ausflüsse von den supermassereichen schwarzen Löchern in Galaxienhaufen gebildet werden. „Hingegen lässt das Aussehen der Kamine auch die Möglichkeit offen, dass weniger energiereiche Prozesse eine Rolle spielen“, sagt Churazov.

Über den Entstehungmechanismus der beiden neu entdeckten Kamine rätseln die Forscher noch. Sind sie eine Fortsetzung der inneren Flügel? Auf jeden Fall werfen sie ein neues Licht darauf, wie die Aktivität im Kern der Milchstraße mit makroskopischen Strukturen auf galaktischer Ebene zusammenhängt und wie diese wahrscheinlich sogar die Entstehung und Entwicklung unserer Galaxie beeinflussen.

Originalveröffentlichung:

• G. Ponti, F. Hofmann, E. Churazov, M. R. Morris, F. Haberl, K. Nandra, R. Terrier, M. Clavel & A. Goldwurm: An X-ray chimney extending hundreds of parsecs above and below the Galactic Centre (Nature Letter, 21. März 2019)

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Spektakuläre Beobachtung des ESA-Observatoriums XMM-Newton und des NASA-Röntgenteleskops Chandra: Ein supermassives Schwarzes Loch hat einen Stern zerrissen und sich einen Teil von ihm einverleibt. Die beiden Forschungssatelliten lieferten den bisher eindeutigsten Beweis dafür, daß diese bereits lange vermuteten Vorgänge tatsächlich stattfinden.

Die Astronomen gehen davon aus, daß ein Stern einem gigantischen Schwarzen Loch zu nahe gekommen ist, nachdem ihn eine Beinahe-Kollision mit einem anderen Stern aus seiner Bahn geworfen hatte. Als er sich nun der enormen Schwerkraft des Schwarzen Lochs näherte, wurde er von dessen Gezeitenkräften so stark verformt, daß es ihn zerriß. Diese Entdeckung vermittelt wichtige neue Erkenntnisse über das Wachstum von Schwarzen Löchern und ihren Einfluß auf die sie umgebenden Sterne und Gase.
„Geringe Verformungen können Sterne überleben, wenn sie sich in binären Sternensystemen befinden, aber dieser Stern wurde über seine Grenzen gestreckt“, sagt Dr. Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Deutschland, die das internationale Forscherteam leitet. „Dieser unglückliche Stern hat sich einfach in die falsche Nachbarschaft begeben.“

Frühere Beobachtungen hatten bereits angedeutet, daß Sterne von Schwarzen Löchern zerstört werden (ein Ereignis, das als „Zerreißen von Sternen durch die Gezeitenkräfte Schwarzer Löcher“ bezeichnet wird). Die neuen Beobachtungen liefern den ersten handfesten Beweis für diese Vermutung.

Die Beobachtungen mit XMM-Newton und Chandra zeigten in Kombination mit früheren Beobachtungen des deutschen Röntgensatelliten ROSAT im Zentrum der Galaxie RXJ1242-11 einen der gewaltigsten je nachgewiesenen Gammastrahlenausbrüche. Verursacht wurde er vom Gas des zerrissenen Sterns, dessen Temperatur auf mehrere Millionen Grad anstieg, bevor er von dem Schwarzen Loch verschluckt wurde. Die bei diesem Vorgang freigesetzte Energie entspricht der einer Supernova. „Mit all den Daten, die uns nun zur Verfügung stehen, haben wir den eindeutigen Beweis, daß dieses spektakuläre Ereignis stattgefunden hat“, so Prof. Guenther Hasinger vom MPE.

Die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie RXJ1242-11 wird auf das Hundertmillionenfache der Masse der Sonne geschätzt, während die des zerrissenen Sterns vermutlich ungefähr der der Sonne entsprach – womit der Stern dem Schwarzen Loch in punkto Schwerkraft nicht viel entgegenzusetzen hatte. Hasinger spricht denn auch vom „Kampf Davids gegen Goliath, aber mit David als Verlierer.“

Die Astronomen gehen davon aus, daß das Schwarze Loch etwa ein Prozent der Masse des Sterns versch luckt – in der Fachsprache: akkretiert – hat. Diese geringe Menge würde die Voraussage stützen, daß durch den Schwung und die Energie des Akkretionsvorgangs der größte Teil des Gases des zerrissenen Sterns von dem Schwarzen Loch weggeschleudert wird.

Die Kräfte, die den Stern in der Galaxie RXJ1242-11 zerrissen haben, sind ein extremes Beispiel der durch Unterschiede in der Schwerkraft vor und hinter einem Objekt verursachten Gezeitenkräfte. Die Gezeitenkräfte des Mondes bewirken Ebbe und Flut auf der Erde, die des Jupiter haben den Kometen Shoemaker-Levy zerrissen, bevor er in dem Riesenplaneten verschwand.

Das Risiko, daß in einer typischen Galaxie ein Stern durch Gezeitenkräfte zerrissen wird, ist mit etwa eins zu zehntausend gering. Ein solches Ereignis im Zentrum der Milchstraße hätte eine Röngtenstrahlung zur Folge, die die stärkste Röntgenquelle in unserer Galaxie um das 50 000-fache an Energie übersteigen würde. Eine Gefahr für die Erde bestünde indes aufgrund der Entfernung von 25 000 Lichtjahren nicht.

Gewaltige sogenannte Flares wurden bereits früher in unterschiedlichen Galaxien beobachtet, aber nun wurde ein solches Ereignis erstmals mit der hohen Spektralauflösung von XMM-Newton und der hohen räumlichen Auflösung von Chandra unter die Lupe genommen. Beide Satelliten ermöglichten einen großen Schritt vorwärts: Chandra zeigte, daß der Vorgang im Zentrum der Galaxie stattfand, wo das Schwarze Loch lauert, während die mit XMM-Newton vorgenommene Spektralanalyse die typischen Merkmale der Umgebung eines Schwarzen Lochs nachwies und es somit gestattete, andere in Frage kommende astronomische Erklärungen auszuschließen.

Beweise für das Vorhandensein supermassiver Schwarzer Löcher gibt es in zahlreichen Galaxien. Das Aufspüren von Zerreißvorgängen durch Gezeitenkräfte stellt jedoch eine völlig eigene Methode für die Suche nach ihnen dar. Beobachtungen dieser Art sind zur Bestimmung der Wachstumsgeschwindigkeit von Schwarzen Löchern aufgrund des Verschlingens benachbarter Sterne von entscheidender Bedeutung.

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