Ein einzelnes Himmelsobjekt – massereicher als die Sonne, aber viel kleiner – wandert einige tausend Lichtjahre von der Erde entfernt durch die Galaxie. Es könnte das erste isolierte Schwarze Loch mit stellarer Masse sein, das in der Milchstraße entdeckt wurde. Oder es könnte einer der schwersten bekannten Neutronensterne sein.
Der interstellare Wanderer zeigte sich erstmals im Jahr 2011, als seine Schwerkraft das Licht eines weiter entfernten Sterns kurzzeitig verstärkte. Aber damals entging seine wahre Natur den Forschern. Jetzt haben zwei Teams von Astronomen Bilder des Hubble-Weltraumteleskops analysiert, um die Identität des Reisenden aufzudecken – und sind zu etwas anderen Schlussfolgerungen gekommen.
Der mysteriöse Schurke ist ein Schwarzes Loch, das etwa siebenmal so groß ist wie die Sonne, berichtet ein Team in einer Studie, die im Druck erscheint Astrophysikalische Zeitschrift. Oder es ist ein bisschen leichter – nur zwei- bis viermal so schwer wie unser nächster Stern – und daher entweder ein ungewöhnlich leichtes Schwarzes Loch oder ein merkwürdig kräftiger Neutronenstern, berichtet eine andere Gruppe in einer Studie im Druck in der Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.
Neutronensterne und Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn massereiche Sterne – mindestens mehrfach so schwer wie die Sonne – am Ende ihres Lebens unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen. Astronomen glauben, dass in unserer Galaxie etwa eine Milliarde Neutronensterne und etwa 100 Millionen Schwarze Löcher mit stellarer Masse lauern (SN: 18.08.17). Aber diese Objekte sind nicht leicht zu erkennen. Neutronensterne sind so winzig – etwa so groß wie eine Stadt –, dass sie nicht viel Licht erzeugen. Und Schwarze Löcher geben überhaupt kein Licht ab.
Um solche Objekte zu erkennen, beobachten Wissenschaftler normalerweise, wie sie ihre Umgebung beeinflussen. „Wir können sie nur finden, wenn sie etwas anderes beeinflussen“, sagt Kailash Sahu, Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore.
Bis heute haben Wissenschaftler fast zwei Dutzend Schwarze Löcher mit stellarer Masse entdeckt. (Diese relativ leichten Schwarzen Löcher sind mickrig im Vergleich zu den supermassiven Giganten, die im Zentrum der meisten Galaxien sitzen, einschließlich unserer eigenen (SN: 18.01.21).) Dazu haben Forscher beobachtet, wie diese Objekte mit ihren nahen himmlischen Nachbarn interagieren. Wenn ein Schwarzes Loch in einem Gravitationstanz mit einem anderen Stern gefangen ist, reißt es seinem Partner Materie weg. Wenn dieses Material auf das Schwarze Loch fällt, sendet es Röntgenstrahlen aus, die von Teleskopen, die die Erde umkreisen, erfasst werden können.
Aber das Auffinden von Schwarzen Löchern in Binärsystemen zeichnet kein vollständiges Bild des Königreichs der Schwarzen Löcher. Da diese Objekte kontinuierlich Materie ansammeln, ist es schwierig, die Masse zu bestimmen, bei der sie entstanden sind. Und da das Geburtsgewicht ein Schlüsselmerkmal eines Schwarzen Lochs ist, ist dies ein erheblicher Nachteil bei der Betrachtung von Binärsystemen, sagt Sahu. „Wenn wir die Eigenschaften von Schwarzen Löchern verstehen wollen, ist es am besten, isolierte zu finden.“
Seit mehr als einem Jahrzehnt suchen Forscher den Himmel nach einsamen Schwarzen Löchern ab. Die Suche basierte auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass jedes massive Objekt, selbst ein unsichtbares, den Raum in seiner Nähe krümmt (SN: 2/3/21). Diese Biegung bewirkt, dass das Licht von Hintergrundsternen vergrößert und verzerrt wird, ein Phänomen, das als Gravitationsmikrolinseneffekt bekannt ist. Durch die Messung von Änderungen in der Helligkeit und der scheinbaren Position von Sternen können Wissenschaftler die Masse des dazwischenliegenden Objekts berechnen, das wie eine Linse wirkt – eine Technik, die auch einige extrasolare Planeten zusammenfasst (SN: 24.07.17).
Im Jahr 2011 gaben Forscher bekannt, dass sie einen Stern entdeckt hatten, der plötzlich mehr als 200-mal heller geworden war. Aber diese ersten Beobachtungen, die mit Teleskopen in Chile und Neuseeland gemacht wurden, konnten nicht zeigen, ob sich auch die scheinbare Position des Sterns änderte. Und diese Informationen sind der Schlüssel, um die Masse des dazwischenliegenden Objekts zu bestimmen. Wenn es sich um ein Schwergewicht handelt, würde seine Schwerkraft den Raum so stark verzerren, dass der Stern sich zu bewegen scheint. Aber selbst eine „große“ Verschiebung der Position des Sterns wäre extrem klein und schwer zu erkennen gewesen. Und leider neigen feine Details in astronomischen Bildern, die von bodengestützten Teleskopen aufgenommen wurden, aufgrund der turbulenten Atmosphäre unseres Planeten dazu, unscharf zu werden (SN: 29.07.20).
Um diese irdische Einschränkung zu umgehen, wandten sich zwei unabhängige Astronomenteams an das Hubble-Weltraumteleskop. Dieses Observatorium kann äußerst detaillierte Bilder aufnehmen, da es über dem größten Teil der Erdatmosphäre kreist.
Beide Gruppen stellten fest, dass sich der Standort des Sterns im Laufe mehrerer Jahre veränderte. Eines der Teams unter der Leitung von Sahu kam zu dem Schluss, dass der scheinbare Tanz des Sterns von einem Objekt verursacht wurde, das etwa siebenmal so groß wie die Sonne ist. Ein Stern dieser Masse wäre auf den Hubble-Bildern blendend hell gewesen, aber die Forscher sahen nichts. Etwas so Schweres und Dunkles muss ein Schwarzes Loch sein, berichtet das Team.
Aber eine andere Forschergruppe unter der Leitung des Astronomen Casey Lam von der University of California, Berkeley, kam zu anderen Ergebnissen. Lam und ihre Kollegen berechneten, dass die Masse des Linsenobjekts geringer war, nur etwa das Zwei- bis Vierfache der Sonnenmasse. Es könnte daher entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch sein, schloss die Gruppe.
Was auch immer es ist, es ist ein faszinierendes Objekt, sagt die Astronomin Jessica Lu, ebenfalls Mitglied von Lams Team an der UC Berkeley. Das liegt daran, dass es in Bezug auf die Masse ein bisschen ein Sonderling ist. Es ist entweder einer der massereichsten bisher entdeckten Neutronensterne oder eines der masseärmsten bekannten Schwarzen Löcher, sagt Lu. „Es fällt in diese seltsame Region, die wir die Massenlücke nennen.“
Trotz der Meinungsverschiedenheiten sind dies aufregende Ergebnisse, sagt Will M. Farr, ein Astrophysiker an der Stony Brook University in New York, der an keiner der beiden Studien beteiligt war. „An der instrumentellen Grenze an der wirklichen Spitze des Messbaren zu arbeiten, ist sehr aufregend.“
Quellen
KC Sahu et al. Ein isoliertes Schwarzes Loch mit stellarer Masse, das durch astrometrische Mikrolinsen entdeckt wurde. Das Astrophysikalische Zeitschrift. Im Druck, 2022. Eingereicht an arXiv.org am 31. Januar 2022.
CY Lam et al. Ein isoliertes Schwarzes Loch mit Masselücke oder ein Neutronenstern, der mit astrometrischen Mikrolinsen entdeckt wurde. Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. Im Druck, 2022. Eingereicht an arXiv.org am 3. Februar 2022.
Autoren: Katherine Kornei von Sciencenews
