Stern überlebt Schwarzes Loch immer wieder – doch jedes Mal leuchtet er schwächer

Ein Stern überlebt ein Schwarzes Loch – und das offenbar immer wieder. Bei jeder engen Passage reißen gewaltige Gezeitenkräfte Materie aus ihm heraus. Der verbliebene Kern entkommt zunächst, kehrt später zurück und gerät erneut in die Nähe des Schwarzen Lochs.

Dabei entsteht jedes Mal ein neuer Lichtausbruch: Abgerissene Sternmaterie fällt zurück, heizt sich stark auf und lässt die Umgebung des Schwarzen Lochs hell aufleuchten. Doch bei einigen dieser Systeme werden die Ausbrüche von Begegnung zu Begegnung schwächer. Neue Simulationen liefern dafür nun eine mögliche Erklärung: Entscheidend könnte sein, wie schnell sich der Stern selbst dreht.

Ein Forschungsteam um Ananya Bandopadhyay von der Syracuse University hat den Effekt mit aufwendigen Simulationen untersucht. Die Studie erschien im Fachjournal The Astrophysical Journal. Besonders gut ließen sich die schwächer werdenden Lichtausbrüche nachbilden, wenn der Stern schon vor der ersten engen Passage schnell rotierte. „Wir haben darüber zwei Jahre lang gerätselt“, sagt Bandopadhyay. Die Modelle geben außerdem Hinweise darauf, wie Sterne überhaupt auf extrem enge Bahnen um supermassereiche Schwarze Löcher geraten.

Warum ein Schwarzes Loch einen Stern mehrfach überleben lässt

Astronomen kennen inzwischen mehr als 100 sogenannte Tidal Disruption Events, kurz TDEs. Dabei kommt ein Stern einem sehr massereichen Schwarzen Loch so nahe, dass dessen Schwerkraft ihn stark verformt oder vollständig zerreißt. Die Anziehung ist auf der dem Schwarzen Loch zugewandten Seite stärker als auf der abgewandten. Dadurch entstehen enorme Gezeitenkräfte.

Ein Teil der herausgerissenen Materie bleibt an das Schwarze Loch gebunden und fällt später zurück. Dabei wird Energie frei, wodurch die Umgebung über Tage bis Monate hell aufleuchten kann. Manche Sterne werden jedoch nur teilweise zerstört. Ihr verbliebener Kern setzt seine Bahn fort und kehrt nach Monaten oder Jahren erneut zurück. Solche wiederkehrenden partiellen Sternzerreißungen sind bislang selten. Zu den bekannten Kandidaten gehören unter anderem AT2018fyk, AT2022dbl und eRASSt-J045650.

Beim Schwarzen Loch wird der Stern zunehmend widerstandsfähiger

Vor allem die schwächer werdenden Lichtblitze ließen sich bisher nur schwer nachbilden. Ein relativ massereicher Stern kann nach einem Masseverlust dichter werden und beim nächsten Vorbeiflug weniger Material verlieren. Frühere Berechnungen ergaben jedoch noch einen zweiten Vorgang: Die Gezeitenkräfte beschleunigen die Rotation des Sterns. Das abgerissene Material kehrt dadurch schneller zum Schwarzen Loch zurück, sodass die maximale Rückfallrate über viele Umläufe annähernd gleich bleiben kann.

Die neuen Simulationen berücksichtigen deshalb Sterne, die schon vor der ersten Begegnung schnell rotieren. Untersucht wurden Hauptreihensterne mit mindestens einer Sonnenmasse auf Bahnen um ein Schwarzes Loch mit einer Million Sonnenmassen. In den Modellen bestand jeder Stern aus einer Million simulierten Teilchen. Die schwächer werdenden Ausbrüche traten vor allem auf, wenn sich der Stern in derselben Richtung drehte, in der er das Schwarze Loch umrundete.

Schnelle Rotation lässt Lichtblitze deutlich schwächer werden

Bei einem Modell mit einer Sonnenmasse verfolgte das Team vier nahe Begegnungen. Nach der ersten Passage änderte sich die Rotation nur noch wenig, während der Stern bei jedem weiteren Umlauf weniger Materie verlor. Vom ersten zum zweiten Vorbeiflug sank die maximale Rückfallrate um ungefähr den Faktor 1,5. Danach nahm sie weiter ab, allerdings weniger stark.

Auch die innere Struktur verändert sich durch den Masseverlust. Frühere Berechnungen der Forscher ergaben für einen solchen Stern: Verliert er nur ein bis zehn Prozent seiner Masse, kann seine mittlere Dichte auf etwa das 1,2- bis Zweifache steigen. Der verbleibende Stern wird kompakter und lässt sich bei späteren Begegnungen schwerer auseinanderziehen. Simulationen mit Sternen von drei Sonnenmassen lieferten ebenfalls abnehmende Rückfallraten.

Bei mehreren tatsächlich beobachteten Systemen passt dieses Muster recht gut:

Bei AT2022dbl, eRASSt-J045650 und AT2021aeuk nimmt die maximale Leuchtkraft von Ausbruch zu Ausbruch um bis zu etwa den Faktor zwei ab.
eRASSt-J045650 hat bereits mindestens fünf Ausbrüche hervorgebracht. Der Stern muss daher mehrere nahe Begegnungen überstanden haben.
AT2018fyk fällt aus der Reihe: Dort sank die Leuchtkraft zwischen den ersten beiden Ausbrüchen ungefähr um den Faktor zehn.

Wie ein Schwarzes Loch einen schnell rotierenden Stern einfängt

Für die hohe Anfangsrotation haben die Forscher eine mögliche Erklärung. Beim sogenannten Hills-Mechanismus nähert sich ein sehr enges Doppelsternsystem einem supermassereichen Schwarzen Loch. Dessen Schwerkraft zerreißt die Verbindung zwischen den beiden Sternen. Einer wird fortgeschleudert, während der andere auf einer engen Bahn um das Schwarze Loch zurückbleibt.

Enge Doppelsterne können sich durch Gezeitenkräfte so beeinflussen, dass ihre Eigenrotation an ihre Umlaufbewegung gekoppelt wird. Der eingefangene Stern könnte deshalb bereits schnell rotieren, bevor er erstmals Materie verliert. „Jede dieser ungewöhnlichen Eigenschaften lässt sich durch dasselbe zugrunde liegende Phänomen erklären: die Gezeitenzerstörung eines Doppelsternsystems und den Einfang eines der Sterne“, sagt Mitautor Eric Coughlin.

Bei AT2018fyk reicht dieser Mechanismus möglicherweise nicht aus. Das dortige Schwarze Loch besitzt schätzungsweise rund 50 Millionen Sonnenmassen. Um den Rückgang der Leuchtkraft um etwa den Faktor zehn allein durch Rotation zu erklären, müsste sich der Stern nach den Berechnungen ungewöhnlich schnell drehen. Die Forscher halten deshalb zusätzliche relativistische Effekte oder Veränderungen der Sternbahn zwischen zwei Begegnungen für möglich.

Kurz zusammengefasst:

Manche Sterne überstehen mehrere nahe Begegnungen mit einem supermassereichen Schwarzen Loch und verlieren dabei von Umlauf zu Umlauf weniger Materie.
Eine schnelle Eigenrotation vor der ersten Begegnung kann erklären, warum die entstehenden Lichtausbrüche immer schwächer werden.
Der Hills-Mechanismus könnte sowohl die enge Bahn des Sterns als auch seine hohe Anfangsrotation erklären.

Übrigens: Schwarze Löcher können nicht nur Sterne immer wieder ihrer Materie berauben – im frühen Universum entdeckten Astronomen nun eines, das sich hinter einer riesigen Wasserstoffhülle verbirgt und wie ein Stern wirkt. Mehr dazu in unserem Artikel.