Ein schlafender riesiger Schwarzes Loch in unserer kosmischen Nachbarschaft entdeckt

Beim Durchforsten des gewaltigen Datensatzes der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumagentur (ESA) haben Wissenschaftler, darunter Astronomen der Universität Genf (UNIGE), ein schlafendes riesiges Schwarzes Loch entdeckt.

Mit einer Masse von fast 33 Sonnenmassen versteckte sich dieses "Monster" weniger als 2000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild des Adlers. Es ist das erste stellare Schwarze Loch dieser Größe, das so nah an der Erde entdeckt wurde. Diese Entdeckung, veröffentlicht in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics, stellt unser Verständnis der Entwicklung massereicher Sterne in Frage.


Die Materie in einem Schwarzen Loch ist so dicht, dass ihr enormer gravitativer Zug nichts entkommen kann, nicht einmal Licht (daher der Name Schwarzes Loch). Die Mehrheit der bekannten stellaren Schwarzen Löcher verschlingt Materie eines nahen Sternpartners. Die eingefangene Materie fällt mit hoher Geschwindigkeit in das Schwarze Loch, wird extrem heiß und setzt Röntgenstrahlen frei. Diese Systeme gehören zu einer Familie von Himmelsobjekten, die als "Röntgenbinäre" bekannt sind.


Wenn der Partner des Schwarzen Lochs nicht nahe genug ist, um Materie auf das kompakte Objekt zu streuen, wird kein Licht oder Energie abgestrahlt, und das Schwarze Loch ist daher extrem schwer zu entdecken. Ein solches "schweigendes" Schwarzes Loch wird als "schlafend" bezeichnet. Seine Anwesenheit verursacht jedoch eine Bewegung seines Umlaufpartners, die mit einem sehr empfindlichen astrometrischen Instrument wie der Raumsonde Gaia detektiert werden könnte.

Ein Durchbruch dank der unglaublichen Präzision von Gaia

Das Ziel der Gaia-Mission ist es, die Entfernungen von mehr als zwei Milliarden Sternen zu messen, indem sie deren Bewegungen am Himmel mit hoher Präzision beobachtet. Zur Vorbereitung der Veröffentlichung des nächsten Gaia-Katalogs, Gaia Data Release 4 (DR4), führen Wissenschaftler der Gaia-Kollaboration umfangreiche Berechnungen und Tests durch, um zu prüfen, ob etwas Ungewöhnliches auffällt. Spezialisierte Teams sind eingerichtet, um außergewöhnliche Fälle zu untersuchen und abgeleitete Datenerzeugnisse zu erstellen.


Eines dieser Teams wurde 2020 von Laurent Eyer, Lehrbeauftragtem und Forscher am Astronomie-Department der Wissenschaftsfakultät der UNIGE, und Tsevi Mazeh, Forscher an der Universität Tel Aviv, beide Co-Autoren der Studie, gegründet. Unter der Leitung von Berry Holl, wissenschaftlichem Assistenten am Astronomie-Department der UNIGE und ebenfalls Co-Autor, hat es die Aufgabe, die erzielten Ergebnisse für Sterne mit extremen Bewegungen sorgfältig zu validieren, die Integrität potenzieller Schwarzer Löcher zu überprüfen und die Veröffentlichung offensichtlicher „Fehldetektionen“ zu vermeiden.

Das Interesse des Teams richtete sich auf einen alten Riesenstern, der 1926 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild des Adlers liegt. Bei der detaillierten Analyse der Schwingung der Sternbahn stieß das Team auf eine große Überraschung: Der Stern unterlag einer orbitalen Bewegung, die durch ein schlafendes Schwarzes Loch mit einer außergewöhnlichen Masse von etwa 33 Sonnenmassen induziert wurde. Es handelt sich um das dritte entdeckte schlafende Schwarze Loch mit Gaia und es wurde passenderweise Gaia BH3 genannt. "Die Qualität der letzten Daten, die vom Konsortium produziert wurden, hat sich so verbessert, dass wir erwarten, eine große Anzahl echter Schwarzer Löcher im Katalog DR4 zu veröffentlichen", freut sich Berry Holl.

Ein Rekord für unsere Galaxie

Die Entdeckung von Gaia BH3 ist aufgrund seiner Masse besonders interessant. Bisher wurden Schwarze Löcher dieser Masse nur in entfernten Galaxien entdeckt, dank der Beobachtungen von Gravitationswellen durch das LIGO/Virgo-Konsortium. Die typische Masse der in unserer Galaxie bekannten stellaren Schwarzen Löcher liegt bei etwa 10 Sonnenmassen. Der bisherige Rekord wurde von einem Schwarzen Loch in einem Röntgenbinär im Sternbild des Schwans (Cyg X-1) gehalten, mit einer geschätzten Masse von etwa 20 Sonnenmassen.

Astronomen stehen nun vor der Herausforderung, die Entstehung von Schwarzen Löchern der Größe von Gaia BH3 zu erklären. Das aktuelle Wissen über die Entwicklung massereicher Sterne kann nicht erklären, wie solche Schwarzen Löcher entstanden sind. Die meisten Theorien gehen davon aus, dass massereiche Sterne im Laufe ihres Alterns einen erheblichen Teil ihrer Materie durch mächtige Winde verlieren; schließlich explodieren sie als Supernova, wobei sie eine Neutronenstern oder, wenn der Kern ausreichend massiv war, ein Schwarzes Loch zurücklassen.

"Die Entstehung von Schwarzen Löchern mit einer Masse, die 30 Sonnenmassen oder mehr entspricht, stellt jedoch eine echte Herausforderung für die aktuellen Evolutionsmodelle dar. Die Entdeckung von Gaia BH3 in unserer Galaxie bietet daher eine einzigartige Gelegenheit, das Umfeld zu studieren, in dem diese überraschend massiven stellaren Schwarzen Löcher residieren, und ihre Herkunft zu verstehen", erklärt Nami Mowlavi, Forscher am Astronomie-Department der Wissenschaftsfakultät der UNIGE, Mitglied des Teams und Co-Autor des Artikels.

Ein faszinierender Begleiter

Mit einer Umlaufbahn von etwa 16-mal der Entfernung Sonne-Erde ist der Begleitstern von Gaia BH3 eher ungewöhnlich: ein alter Riesenstern aus dem galaktischen Halo, der sich in entgegengesetzter Richtung zu den Sternen der galaktischen Scheibe bewegt. Seine Bahn legt nahe, dass dieser Stern wahrscheinlich Teil einer kleinen Galaxie war, die vor mehr als 8 Milliarden Jahren von der Milchstraße akkretiert wurde. Er könnte sogar aus einem alten heute zerstreuten Kugelsternhaufen stammen. Der Stern enthält sehr wenige Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, was darauf hindeutet, dass der Vorgänger von Gaia BH3 ebenfalls ein massereicher Stern mit einem Mangel an schweren Elementen gewesen sein könnte.


Diese Entdeckung ist bemerkenswert. Sie untermauert erstmals die Idee, dass die durch Gravitationswellendetektionen beobachteten massereichen Schwarzen Löcher durch den Kollaps primitiver, elementarmer massereicher Sterne entstanden sind. Diese Sterne könnten sich anders entwickeln als jene, die wir in der galaktischen Scheibe und in der Nachbarschaft der Sonne beobachten. Sie könnten den größten Teil ihrer Masse bis zum Ende ihrer Entwicklung bewahren und, sobald der nukleare Treibstoff in ihrem Kern erschöpft ist, zu großen massereichen Schwarzen Löchern zusammenstürzen.

Ein appetitanregender Vorgeschmack

Die Entdeckung von Gaia BH3 ist nur der Anfang, und es gibt noch viel über seine verblüffende Natur zu entdecken. Die Gaia-Kollaboration fand diesen Schatz, indem sie die vorläufigen Daten von Gaia validierte. Diese Entdeckung ist so außergewöhnlich, dass das Team beschlossen hat, sie zu verkünden, ohne auf die nächste offizielle Datenveröffentlichung zu warten, die frühestens Ende 2025 erwartet wird. "Ich bin überaus glücklich, dass wir diese erstaunliche Entdeckung mit der ganzen Welt teilen können", sagt Laurent Eyer. Jetzt, da die Neugier der Wissenschaftler geweckt ist, werden dieses Schwarze Loch und sein Begleiter sicherlich Gegenstand vieler weiterführender Studien sein.

Quelle: Universität Genf