Ein außergewöhnlich intensiver Lichtblitz erhellte 2018 plötzlich den Kosmos und zog die Aufmerksamkeit der Astronomen durch seine nie zuvor beobachtete Helligkeit auf sich. Diese energiereiche Erscheinung, die aus einer sehr weit entfernten Region stammte, warf sofort Fragen nach ihrem Ursprung und ihrer Natur auf.
Das Ereignis geht auf ein supermassereiches Schwarzes Loch zurück, das etwa 10 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt und als J2245+3743 bezeichnet wird. Im Jahr 2018 stieg seine Helligkeit spektakulär an und erreichte das Äquivalent von 10 Billionen Sonnen, was es zum stärksten jemals für ein Objekt dieser Art aufgezeichneten Blitz macht. Die ersten Beobachtungen wurden von der Zwicky Transient Facility (ZTF) und dem Catalina Real-Time Transient Survey durchgeführt, zwei Himmelsüberwachungsprogrammen am Palomar-Observatorium des Caltech.
Bildnachweis: Caltech/R. Hurt (IPAC) Die Forscher identifizierten dieses Phänomen als ein Gezeitenstörungsereignis, bei dem die intensive Gravitation des Schwarzen Lochs einen Stern zerreißt, der ihm zu nahe kommt. In diesem Fall hatte der betroffene Stern eine Masse von mindestens dem Dreißigfachen der Sonne, was dieses Ereignis zum massereichsten jemals beobachteten seiner Art macht. Dieser Prozess setzt eine beträchtliche Menge an Energie in Form von Licht und Strahlung frei, was den außergewöhnlichen, detektierten Glanz erklärt.
Die Beobachtung dieses Ereignisses wird durch die zeitliche Dehnung aufgrund der Expansion des Universums besonders gemacht. Das ausgesendete Licht braucht Milliarden von Jahren, um uns zu erreichen, und der Ablauf erscheint von der Erde aus verlangsamt. Matthew Graham, leitender Forscher, erklärt, dass sieben Erdjahre am Ort des Schwarzen Lochs nur zwei Jahren entsprechen, was den Wissenschaftlern ermöglicht, das Phänomen in natürlicher Zeitlupe zu studieren.
Die Seltenheit solcher Ereignisse in einem aktiven galaktischen Kern unterstreicht das Interesse an dieser Entdeckung. Aktive galaktische Kerne sind Regionen, in denen ein supermassereiches Schwarzes Loch aktiv Materie ansammelt und dabei oft die Signale von Sternenzerstörungen überdeckt. Hier erlaubte das Ausmaß des Blitzes, ihn deutlich zu unterscheiden, und bot eine wertvolle Gelegenheit, die Wechselwirkungen zwischen massereichen Sternen und Schwarzen Löchern in extremen Umgebungen zu untersuchen.
Diese Beobachtung eröffnet Perspektiven für das Verständnis der Sternentwicklung und energiereicher Phänomene im jungen Universum. Programme wie ZTF überwachen den Himmel weiter, und das zukünftige Vera C. Rubin Observatorium könnte weitere vergleichbare Ereignisse enthüllen.
Die ZTF ist am 48-Zoll-Samuel-Oschin-Teleskop des Palomar-Observatoriums installiert.
Bildnachweis: Palomar/Caltech
Die Implikationen dieser Entdeckung gehen über die beobachtende Astronomie hinaus und berühren die Grundlagenphysik. Die freigesetzte Energie, die der Umwandlung eines signifikanten Teils der Sternmasse in Energie entspricht, zeigt die extreme Gewalt dieser Prozesse. Solche Studien helfen, Modelle über die Entstehung und Zerstörung von Sternen in fernen Galaxien zu verfeinern.
Gezeitenstörungsereignis
Ein Gezeitenstörungsereignis tritt auf, wenn ein Stern einem supermassereichen Schwarzen Loch zu nahe kommt. Die intensive Gravitationskraft des Schwarzen Lochs übt eine differenzielle Zugkraft auf den Stern aus und zerreißt ihn in Stücke. Dieses Phänomen setzt eine erhebliche Menge an Energie in Form von Strahlung frei, die oft als heller Blitz sichtbar ist. Astronomen studieren diese Ereignisse, um zu verstehen, wie Schwarze Löcher ihre Umgebung beeinflussen und Materie ansammeln.
Der Prozess beginnt mit dem Einfang des Sterns durch das Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs. Wenn der Stern die Roche-Grenze durchquert, übertreffen die Gezeitenkräfte seine eigene Schwerkraft, was zu seiner Streckung und Fragmentierung führt. Die stellaren Trümmer bilden dann eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, die auf extreme Temperaturen erhitzt wird und Licht emittiert. Diese Phase kann Monate oder Jahre dauern, abhängig von der Masse des Sterns und des Schwarzen Lochs.
Gezeitenstörungsereignisse sind selten, aber wichtig, um die Theorien der allgemeinen Relativitätstheorie und der Hochenergieastrophysik zu testen. Sie liefern Hinweise auf die Verteilung supermassereicher Schwarzer Löcher und den Lebenszyklus von Sternen in verschiedenen Galaxien. Darüber hinaus helfen sie, Beobachtungsinstrumente zu kalibrieren und zukünftige Weltraummissionen vorzubereiten.
Die Untersuchung dieser Phänomene zeigt auch, wie sich Materie unter extremen Bedingungen verhält, vergleichbar mit denen der ersten Momente des Universums. Durch die Beobachtung des emittierten Lichts und der Spektren können Wissenschaftler auf die Zusammensetzung der Sterne und die Eigenschaften der Schwarzen Löcher schließen, was unser allgemeines Verständnis des Kosmos bereichert.
Kosmologische Zeitdehnung
Die kosmologische Zeitdehnung ist eine Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein. Sie resultiert aus der Expansion des Universums selbst: Je weiter ein astronomisches Objekt von uns entfernt ist (und somit je weiter wir in die Vergangenheit blicken), desto gedehnter erscheint die Zeit dort, von unserem derzeitigen Beobachtungspunkt aus verlangsamt.
Dieses Phänomen wurde empirisch durch die Beobachtung standardisierter kosmischer Ereignisse wie Typ-Ia-Supernovae bestätigt. Astronomen stellten fest, dass die Dauer ihrer Lichtkurve (die Entwicklung ihrer Helligkeit) um einen Faktor (1+z) gedehnt ist, wobei z die Rotverschiebung des Objekts ist. Das bedeutet, dass eine Supernova, die bei einer Rotverschiebung z=1 explodiert, doppelt so lange braucht, um ihren Helligkeitspeak zu erreichen und zu verblassen, als ähnliche Supernovae in der Nähe.
Jüngst, im Juli 2023, ermöglichte eine Studie über die variable Aktivität von 190 Quasaren, diesen Effekt im frühen Universum zu beobachten. Die Forscher entdeckten, dass, als das Universum nur etwa eine Milliarde Jahre alt war, die Zeit etwa fünfmal langsamer zu vergehen schien als heute. Wie der Astrophysiker Geraint Lewis erklärte: "Wir beobachten, dass sich die Dinge etwa fünfmal langsamer entwickeln als heute. Es ist, als ob man einen Film in Zeitlupe ansieht."
Es ist wichtig zu betonen, dass diese Dehnung keine Illusion aufgrund der Lichtlaufzeit ist. Sie ist eine grundlegende Eigenschaft der expandierenden Raumzeit. Für einen hypothetischen Beobachter in diesem jungen Universum dauerte eine Sekunde genau eine Sekunde. Aus unserem Bezugssystem, mehrere Milliarden Jahre in der Zukunft, erscheint uns dieser ursprüngliche Zeitfluss verlangsamt. Diese Beobachtung untermauert die Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie und unser Verständnis eines expandierenden Universums.
Quelle: Nature Astronomy