Erstes stellares Schwarzes Loch in Omega Centauri entdeckt

Der rie­si­ge Kugel­stern­hau­fen Ome­ga Cen­tau­ri gibt Astro­no­men seit Jahr­zehn­ten Rät­sel auf. Eigent­lich müss­te er vol­ler Schwar­zer Löcher sein, die von explo­dier­ten Ster­nen zurück­ge­blie­ben sind; doch es gibt kaum Hin­wei­se auf deren Exis­tenz. Nun haben Astro­no­men unter Ver­wen­dung von Archiv­da­ten des Hub­ble-Welt­raum­te­le­skops der NASA/ESA sowie ergän­zen­der Beob­ach­tun­gen des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops der NASA/ESA/CSA erst­mals ein Schwar­zes Loch stel­la­rer Mas­se in die­sem Hau­fen auf­ge­spürt. Die Ent­de­ckung des ers­ten Exem­plars die­ser bis­lang feh­len­den Popu­la­ti­on Schwar­zer Löcher wird dazu bei­tra­gen, die aktu­el­len Theo­rien zur Ent­ste­hung Schwar­zer Löcher in Umge­bun­gen wie Ome­ga Cen­tau­ri zu verfeinern.

Ome­ga Cen­tau­ri besteht aus 10 Mil­lio­nen gra­vi­ta­tiv gebun­de­nen Ster­nen. Obwohl die astro­no­mi­sche Gemein­schaft mit­hil­fe von Hub­ble bereits Hin­wei­se dar­auf gefun­den hat­te, dass in sei­nem Zen­trum ein Schwar­zes Loch mitt­le­rer Mas­se lau­ert, legen Model­le nahe, dass der Stern­hau­fen zudem etwa 10.000 klei­ne­re Schwar­ze Löcher stel­la­rer Mas­se ent­hal­ten soll­te. Die­se beträcht­li­che Popu­la­ti­on Schwar­zer Löcher war frü­he­ren Stu­di­en ent­gan­gen, die ent­we­der die Radi­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­de [1] anwand­ten oder nach Radio- und Rönt­gen­strah­lung such­ten, die von Mate­rie aus­geht, wel­che in die Schwar­zen Löcher stürzt.

Eine neue Ent­de­ckung basiert auf einem ande­ren Ansatz, der als Astro­me­trie [2] bekannt ist und dazu dient, die sehr gerin­gen Bewe­gun­gen von Ster­nen im Lau­fe der Zeit zu mes­sen. Durch die Aus­wer­tung von mehr als 20 Jah­ren an Hub­ble-Archiv­da­ten und die Ein­be­zie­hung aktu­el­ler Webb-Daten zur wei­te­ren Ver­fei­ne­rung der astro­me­tri­schen Mes­sun­gen konn­te das Team einen Stern loka­li­sie­ren, der ein unsicht­ba­res Objekt umkreist, das so mas­se­reich ist, dass es sich um ein Schwar­zes Loch han­deln muss.Übersetzt mit DeepL.com (kos­ten­lo­se Ver­si­on). Das als oME­GA­Cat BH‑2 bezeich­ne­te Objekt ist das ers­te Schwar­ze Loch stel­la­rer Mas­se, das in Ome­ga Cen­tau­ri nach­ge­wie­sen wur­de, und es weist eini­ge über­ra­schen­de Eigen­schaf­ten auf. oME­GA­Cat BH‑2 besitzt eine gerin­ge­re Mas­se als erwar­tet, und das Duo aus Schwar­zem Loch und sicht­ba­rem Stern weist die längs­te Umlauf­zeit aller bis­her bekann­ten Dop­pel­stern­sys­te­me mit einem Schwar­zen Loch auf.

Die Ergeb­nis­se des Teams wur­den in der Fach­zeit­schrift The Astro­phy­si­cal Jour­nal Let­ters ver­öf­fent­licht.

„Mit­hil­fe der Daten von Hub­ble und Webb konn­ten wir die Bewe­gung des sicht­ba­ren Haupt­rei­hen­sterns [3] beob­ach­ten, der Teil die­ses Dop­pel­stern­sys­tems ist, das sich in einer Ent­fer­nung von etwa 18.000 Licht­jah­ren in der dich­ten Umge­bung von Ome­ga Cen­tau­ri befin­det“, sag­te der Haupt­au­tor der Stu­die, Matthew Whita­ker von der Uni­ver­si­ty of Utah in Salt Lake City, USA. „Die Prä­zi­si­on die­ser Mes­sun­gen ist unglaub­lich – sie reicht bis auf einen Bruch­teil eines Pixels auf den Detek­to­ren von Hub­ble und Webb. Ohne die­se bei­den Welt­raum­te­le­sko­pe wäre es nicht mög­lich gewe­sen, die­ses Schwar­ze Loch zu entdecken.“

Die Ergeb­nis­se des Teams prä­zi­sie­ren eine frü­he­re Stu­die einer ande­ren For­scher­grup­pe, die dar­auf hin­deu­te­te, dass die­ses Dop­pel­stern­sys­tem einen Neu­tro­nen­stern ent­hielt. Durch die Erwei­te­rung der ana­ly­sier­ten Hub­ble-Daten um astro­me­tri­sche Mes­sun­gen aus den Jah­ren 2002 bis 2023 sowie durch die Ein­be­zie­hung von Nahin­fra­rot­da­ten des Webb-Tele­skops zur Ver­bes­se­rung der Genau­ig­keit gelang es dem von der Uni­ver­si­ty of Utah gelei­te­ten Team, die Mas­se des dunk­len Beglei­ters des sicht­ba­ren Sterns genau­er zu bestim­men und damit die Mög­lich­keit eines Neu­tro­nen­sterns auszuschließen.

„Wäh­rend wir bereits wuss­ten, dass der Stern eine Mas­se von 0,78 Son­nen­mas­sen auf­weist, kön­nen wir nun die Mas­se des Schwar­zen Lochs berech­nen: Sie beträgt 4,46 Son­nen­mas­sen und ist damit zu hoch für einen Neu­tro­nen­stern. Aller­dings ist die­se Mas­se deut­lich gerin­ger, als man es in einer metall­ar­men Umge­bung wie Ome­ga Cen­tau­ri erwar­ten wür­de. Das ist über­ra­schend und span­nend“, sag­te Anil Seth von der Uni­ver­si­ty of Utah, ein Mit­au­tor der Stu­die. „Wir wis­sen nun, dass ein metall­ar­mer Stern ein sol­ches Schwar­zes Loch bil­den kann, und wir müs­sen her­aus­fin­den, wie das geschieht. Die­se Ent­de­ckung lie­fert Daten für die­je­ni­gen, die ent­spre­chen­de Model­lie­run­gen durchführen.“

Lang erwartet

Anhand der prä­zi­sen Daten von Hub­ble und Webb konn­te das Team die Bahn des Sterns über einen Zeit­raum von mehr als 20 Jah­ren nach­zeich­nen, der glück­li­cher­wei­se in die Pha­se fiel, in der er sich sei­nem Beglei­ter, einem Schwar­zen Loch, am nächs­ten befand und sich am schnells­ten über den Him­mel beweg­te. Aus den umfang­rei­chen Daten ermit­tel­te das Team, dass der sicht­ba­re Stern oME­GA­Cat BH‑2 alle 94 Jah­re ein­mal umkreist, was die­ses Sys­tem zum Dop­pel­stern­sys­tem mit Schwar­zem Loch mit der längs­ten bekann­ten Umlauf­zeit macht.

Die lan­ge Umlauf­zeit lie­fert zudem einen Hin­weis auf den Ursprung die­ses Dop­pel­stern­sys­tems. Es ent­stand wahr­schein­lich durch dyna­mi­sche Pro­zes­se; das bedeu­tet, dass der Stern und sein Beglei­ter, das Schwar­ze Loch, nicht gemein­sam ent­stan­den sind, son­dern erst inner­halb des Stern­hau­fens zuein­an­der­fan­den. Die For­schen­den berech­ne­ten, dass ein Sys­tem wie oME­GA­Cat BH‑2 weni­ger als eine Mil­li­ar­de Jah­re über­dau­ern wird, bevor es durch Begeg­nun­gen mit benach­bar­ten Ster­nen aus­ein­an­der­ge­ris­sen wird – ein Zeit­raum, der weit kür­zer ist als das Alter des Stern­hau­fens (etwa 12 Mil­li­ar­den Jahre).

„Es ist wich­tig, die Popu­la­tio­nen Schwar­zer Löcher in Kugel­stern­hau­fen zu ver­ste­hen, da hin­sicht­lich ihrer Phy­sik und Ent­ste­hung noch Unklar­hei­ten bestehen“, sag­te Seth. „Ins­be­son­de­re ist das Ver­ständ­nis der Ent­ste­hung Schwar­zer Löcher und der anschlie­ßen­den dyna­mi­schen Bil­dung von Dop­pel­stern­sys­te­men ent­schei­dend, da dies unse­re Fähig­keit beein­flusst, Ereig­nis­se mit Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len zu inter­pre­tie­ren und zu ver­ste­hen. Umge­bun­gen wie Ome­ga Cen­tau­ri gel­ten als die Orte, an denen sol­che Dop­pel­stern­sys­te­me ver­schmel­zen und die­se Wel­len erzeugen.“

Die Ent­de­ckung des stel­la­ren Schwar­zen Lochs oME­GA­Cat BH‑2 durch das Team anhand des Hub­ble-Webb-Daten­sat­zes ist erst der Anfang bei der Suche nach die­sen schwer nach­weis­ba­ren Popu­la­tio­nen von Schwar­zen Löchern in Kugelsternhaufen.

„Die­se neue Ent­de­ckung unter­streicht den immensen Wert des Archivs des Hub­ble-Welt­raum­te­le­skops für die künf­ti­ge For­schung“, sag­te Maxi­mi­li­an Häber­le, Post­dok­to­rand an der Euro­päi­schen Süd­stern­war­te (ESO), der die Daten­auf­be­rei­tung für die Hub­ble- und Webb-Daten lei­te­te. „Sie mar­kiert den zwei­ten Durch­bruch unse­rer astro­me­tri­schen Neu­ana­ly­se im Rah­men des oME­GA­Cat-Pro­jekts, nach der Bestä­ti­gung eines mit­tel­schwe­ren Schwar­zen Lochs in Ome­ga Centauri.“

Endnoten

[1] Die Kom­po­nen­te der Bewe­gungs­ge­schwin­dig­keit eines Objekts, die sich vom Beob­ach­ter weg oder auf ihn zu bewegt. Durch die Beob­ach­tung von Dopp­ler­ver­schie­bun­gen in Spek­tral­li­ni­en kön­nen Astro­no­men die Radi­al­ge­schwin­dig­keit ablei­ten und bestim­men, wie schnell sich Objek­te von uns weg oder auf uns zu bewe­gen. Die Mes­sung sol­cher Ver­schie­bun­gen im Licht eines Sterns kann das Vor­han­den­sein von Exo­pla­ne­ten und Brau­nen Zwer­gen auf­de­cken, die die­sen umkreisen.

[2] Die Astro­me­trie misst die genau­en Posi­tio­nen und Bewe­gun­gen von Ster­nen im Zeit­ver­lauf. Die Umlauf­bahn eines Pla­ne­ten kann dazu füh­ren, dass ein Stern im Welt­raum im Ver­hält­nis zu benach­bar­ten Ster­nen am Him­mel hin und her taumelt.

[3] Ein nor­ma­ler Stern ent­steht aus einem Staub- und Gas­klum­pen in einer Stern­ent­ste­hungs­re­gi­on. Im Lau­fe von Hun­dert­tau­sen­den von Jah­ren gewinnt die Ansamm­lung an Mas­se, beginnt sich zu dre­hen und erwärmt sich. Wenn sich der Kern der Ansamm­lung auf Mil­lio­nen Grad erhitzt, setzt die Kern­fu­si­on ein. Die­ser Pro­zess fin­det statt, wenn zwei Pro­to­nen, die Ker­ne von Was­ser­stoff­ato­men, zu einem Heli­um­kern ver­schmel­zen. Bei der Fusi­on wird Ener­gie frei­ge­setzt, die den Stern erwärmt und einen Druck erzeugt, der der Schwer­kraft des Sterns ent­ge­gen­wirkt. Ein Stern ist gebo­ren. Wis­sen­schaft­ler bezeich­nen einen Stern, der in sei­nem Kern Was­ser­stoff zu Heli­um fusio­niert, als Haupt­rei­hen­stern. Haupt­rei­hen­ster­ne machen etwa 90 % der Stern­po­pu­la­ti­on des Uni­ver­sums aus. Sie vari­ie­ren in Leucht­kraft, Far­be und Grö­ße – von einem Zehn­tel bis zum 200-Fachen der Son­nen­mas­se – und haben eine Lebens­dau­er von Mil­lio­nen bis Mil­li­ar­den von Jahren.

Hintergrundinformationen

Das Hub­ble-Welt­raum­te­le­skop ist ein Pro­jekt der inter­na­tio­na­len Zusam­men­ar­beit zwi­schen der ESA und der NASA.

Bild­nach­weis: ESA/Hubble & NASA, M. Häber­le (MPIA), J. DePas­qua­le (STScI)

Links

• Wis­sen­schaft­li­che Veröffentlichung
• Ver­öf­fent­li­chung auf der NASA-Website

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung heic2610