Chinesische Astronomen finden spektrale Hinweise darauf, dass ein Schwarzes Loch denselben Stern zweimal auseinandergerissen hat

Zwei Ausbrüche deuten auf einen überlebenden Stern hin

Ein Stern scheint eine enge Begegnung mit einem supermassereichen Schwarzen Loch überstanden zu haben, nur um später zurückzukehren und mehr Material zu verlieren. Astronomen der University of Science and Technology of China (USTC) identifizierten das wiederholte Ereignis AT 2022dbl, nachdem es im Januar 2024 erneut heller wurde. Ihr stärkster Hinweis war die auffallende Ähnlichkeit des während der beiden Ausbrüche ausgesandten Lichts.

Die Ergebnisse wurden am 9. August 2024 in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. In ihrer Forschungsmitteilung bezeichnete die USTC AT 2022dbl als das erste wiederholte partielle Gezeitenzerreißungsereignis, das durch Spektroskopie bestätigt wurde, also durch die Untersuchung von Licht, das in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt wird.

Ein Gezeitenzerreißungsereignis (TDE) tritt auf, wenn ein Stern einem massereichen Schwarzen Loch so nahe kommt, dass dessen Gravitation Material aus dem Stern herausreißt. Das Material erzeugt einen hellen Ausbruch, während es sich auf das Schwarze Loch zubewegt. Bei einer partiellen Zerreißung überlebt ein Teil des Sterns, sodass es zu einer weiteren Begegnung kommen kann.

AT 2022dbl ist bedeutsam, weil die Forschenden mehr als nur die Beobachtung eines Objekts vorliegen haben, das zweimal heller wurde. Die beiden Ausbrüche zeigten sehr ähnliche Emissionsmerkmale, darunter solche, die mit Stickstoff verbunden sind. Diese Merkmale stützen die Schlussfolgerung des Teams, dass das bei beiden Episoden beteiligte Material sehr wahrscheinlich von demselben Stern stammte.

Die Entdeckung verändert auch, wie Astronomen scheinbar gewöhnliche Sternzerreißungen deuten könnten. Nach Angaben des Teams sah jeder der beiden Ausbrüche von AT 2022dbl für sich genommen wie ein typisches TDE aus. Erst die Beobachtung des Objekts über längere Zeit offenbarte eine kompliziertere Geschichte: Offenbar verlor ein Stern bei aufeinanderfolgenden Begegnungen Material, statt bei einem einzigen Ereignis zu verschwinden.

Wie ein Schwarzes Loch einem Stern Material entreißen kann

Ein Schwarzes Loch zieht stärker an der ihm zugewandten Seite eines nahe gelegenen Sterns als an dessen abgewandter Seite. Wird dieser Unterschied groß genug, dehnt er den Stern und kann Sternmaterial abreißen. Dieser Unterschied in der Gravitationskraft ist die Gezeitenkraft, nach der das Ereignis benannt ist.

Der Begriff Akkretion bezeichnet das Ansammeln von Material um ein Objekt und dessen Bewegung auf dieses Objekt zu unter dem Einfluss der Gravitation. Bei einem TDE wird Sterntrümmermaterial dabei erhitzt und gibt Strahlung ab. Astronomen messen den daraus entstehenden Ausbruch, der Einblicke in eine Begegnung ermöglicht, die sich weit außerhalb direkter Beobachtungsmöglichkeiten abspielt.

Die USTC erklärt, dass ein typisches TDE innerhalb von einigen Dutzend Tagen rasch heller wird und dann über Monate oder Jahre verblasst. Eine partielle Zerreißung kann einen ähnlichen Verlauf nehmen. Ihr besonderes Merkmal ist der überlebende Stern, der auf einer Umlaufbahn bleiben kann, die ihn erneut in die Nähe des Schwarzen Lochs führt.

Bei AT 2022dbl deuten die Forschenden den erneuten Ausbruch und die übereinstimmenden Spektren als Beleg für diesen wiederholten Vorgang. Das Licht enthält Informationen über das abgerissene Material, während das erneute Aufleuchten zeigt, dass die Aktivität wieder eingesetzt hat.

Warum die übereinstimmenden Spektren wichtig sind

Ein Spektrum zerlegt Licht nach Wellenlängen, ähnlich wie ein Prisma sichtbares Licht in verschiedene Farben auffächert. Atome und Ionen erzeugen Merkmale bei bestimmten Wellenlängen. Astronomen nutzen diese Merkmale, um die Zusammensetzung und die physikalischen Bedingungen des Materials zu untersuchen, das das Licht aussendet.

Die beiden Ausbrüche von AT 2022dbl wiesen äußerst ähnliche Eigenschaften der Emissionslinien auf. Die USTC hob Merkmale hervor, die auf einen ungewöhnlich hohen Anteil von Elementen schließen lassen, die mit Kernreaktionen im Inneren von Sternen verbunden sind. Zu den übereinstimmenden Merkmalen gehörten N-III-Emissionslinien, die von Stickstoffatomen erzeugt werden, denen zwei Elektronen fehlen.

Das Forschungsteam wertete diese chemische Ähnlichkeit als wichtigen Hinweis darauf, dass beide Episoden Material von demselben Stern umfassten. In ihrer Argumentation verknüpfen die Forschenden den Zeitpunkt der erneuten Aktivität mit der Zusammensetzung, die sich im Licht zeigt: Das Objekt leuchtete erneut auf, und seine Emission wies eine sehr ähnliche chemische Signatur auf.

Frühere Kandidaten für wiederholte Gezeitenzerreißungen wurden hauptsächlich anhand von Lichtkurven gestützt, die die Helligkeit im Zeitverlauf darstellen. Laut USTC fehlten diesen Fällen vergleichbar starke Belege über die Helligkeitsveränderungen hinaus; eine breite Anerkennung hatten sie nicht gefunden. AT 2022dbl ergänzt den Vergleich der Spektren beider Ausbrüche und liefert der Erklärung durch wiederholte partielle Zerreißung eine solidere Beobachtungsgrundlage.

Wie der zweite Ausbruch entdeckt wurde

Das USTC-Team aktualisierte regelmäßig die Lichtkurven bekannter Gezeitenzerreißungsereignisse und hielt Ausschau nach erneuter Aktivität. Dank dieser kontinuierlichen Beobachtung konnten die Forschenden die Aufhellung von AT 2022dbl im Januar 2024 erkennen und Beobachtungen organisieren, solange sich der neue Ausbruch noch entwickelte.

Sie veranlassten Beobachtungen mit dem Satelliten Swift und dem Teleskopnetzwerk Las Cumbres Observatory Global Telescope (LCOGT). Damit wurde das Ereignis in mehreren Wellenlängenbereichen vermessen, sodass dem Team ein umfassenderes Bild der veränderlichen Strahlung vorlag, als es eine einzelne Wellenlängenbandbreite hätte liefern können.

Außerdem gewannen die Forschenden mit dem Hale-Teleskop (P200) am Palomar-Observatorium in den USA ein hochwertiges frühes Spektrum. Dieses Spektrum half dabei, den neuen Ausbruch als Gezeitenzerreißungsereignis zu identifizieren und ermöglichte den entscheidenden Vergleich mit dem ersten Ausbruch.

Die wichtigsten Schritte waren:

• Januar 2024: Das Team entdeckte die erneute Aufhellung von AT 2022dbl und begann Beobachtungen mit Swift, LCOGT und dem Hale-Teleskop in Palomar.
• 9. August 2024: Die Studie wurde unter dem Titel The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Den erneuten Ausbruch früh zu erkennen war wichtig, weil sich ein Ausbruch im Verlauf seiner Entwicklung verändert. Dank schneller Beobachtungen erhielten die Forschenden ein Spektrum aus der frühen Phase der zweiten Episode sowie Messungen zur Entwicklung ihrer Helligkeit.

Möglicher Ursprung in einem Doppelsternsystem

Die Forschenden vermuten, dass der überlebende Stern ursprünglich zu einem Doppelsternsystem gehört haben könnte, also zu einem System aus zwei Sternen, die einander umkreisen. Eine enge Begegnung mit dem Schwarzen Loch könnte das Paar getrennt haben, sodass einer der Sterne an das Schwarze Loch gebunden blieb.

In dieser Erklärung bewegt sich der eingefangene Stern auf einer Ellipse mit sehr hoher Exzentrizität. Die Exzentrizität beschreibt, wie stark eine Umlaufbahn gestreckt ist: Auf einer nahezu kreisförmigen Bahn bleibt ein Objekt in ziemlich gleichbleibender Entfernung, während es auf einer stark elliptischen Bahn viel weiter entfernt ist, bevor es wieder in die Nähe zurückkehrt.

Bei jeder nahen Passage könnte der Stern dann starken Gezeitenkräften ausgesetzt sein, die weiteres Material abreißen und einen neuen Ausbruch auslösen. Das bietet eine physikalische Erklärung dafür, wie ein Stern eine Begegnung überstehen und später zurückkehren kann, um erneut Material zu verlieren.

Der Ursprung im Doppelsternsystem und die vermutete Umlaufbahn sind weiterhin die Interpretation der Beobachtungen durch das Team. In der Mitteilung wird kein bestätigter Zeitpunkt für einen weiteren Ausbruch genannt. Durch fortgesetzte Beobachtungen könnten Astronomen nach weiterer Aktivität suchen und künftige Episoden mit den ersten beiden vergleichen.

Was sich für die Erforschung von Sternzerreißungen ändert

AT 2022dbl stellt Astronomen bei der Einordnung solcher Ereignisse vor ein praktisches Problem: Ein Ausbruch infolge einer partiellen Sternzerreißung kann wie der eines gewöhnlichen TDE aussehen. Nach Angaben der Forschenden war das Verhalten jeder Episode nicht von dem typischer Ereignisse zu unterscheiden.

Studien, die nur einen Ausbruch beobachten, könnten daher überlebende Sterne zu den Objekten zählen, bei denen man von einer einmaligen Zerreißung ausgeht. Laut USTC hat die Forschung zu optischen TDEs wiederholte partielle Zerreißungen weitgehend außer Acht gelassen. Die Entdeckung deutet jedoch darauf hin, dass solche Ereignisse häufiger sein könnten als bisher angenommen.

Dieser Unterschied ist wichtig, wenn Forschende Ereignisse zählen und untersuchen, wie Sterne in der Nähe Schwarzer Löcher Material verlieren. Eine Population mit Sternen, die wiederholt zurückkehren, hat eine andere Geschichte als eine Population, bei der jeder Ausbruch die letzte Begegnung eines anderen Sterns darstellt. AT 2022dbl liefert einen konkreten Fall, den Forschende bei der Neubewertung solcher Zählungen und physikalischer Modelle untersuchen können.

Auch die Beobachtungsstrategie ist wichtig. Regelmäßige Kontrollen bekannter Objekte können Aktivitäten sichtbar machen, die bei einer einmaligen Entdeckungsbeobachtung unbemerkt geblieben wären. In diesem Fall lieferte die Kombination aus kontinuierlichen Helligkeitsmessungen, schneller Reaktion und Spektroskopie die entscheidenden Belege.

Das Team und die Suche nach weiteren Beispielen

Erstautor der Studie ist der USTC-Doktorand Zheyu Lin, der gemeinsam von Professor Xu Kong und dem außerordentlichen Forscher Ning Jiang betreut wird. Jiang, Professor Tinggui Wang und Kong sind die korrespondierenden Autoren. Zu den beteiligten Einrichtungen zählen die National Astronomical Observatories der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die Wuhan-Universität, die Universität Hiroshima, die Universität Kyoto und das Indian Institute of Astrophysics.

Das Projekt wurde unter anderem von der National Natural Science Foundation of China, dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem chinesischen bemannten Raumfahrtprogramm, der Tang Foundation und Behörden der Provinz Anhui unterstützt.

Die Forschenden wollen mit dem Wide Field Survey Telescope (WFST), auch bekannt als Mozi Survey Telescope, weitere Ereignisse wie AT 2022dbl finden. Das Teleskop wurde gemeinsam von der USTC und dem Purple Mountain Observatory entwickelt. Gezeitenzerreißungsereignisse zählen zu seinen zentralen wissenschaftlichen Beobachtungszielen.

Weitere Beispiele würden Astronomen mehr Sterne und Ausbrüche zum Vergleichen liefern. AT 2022dbl zeigt, wie wertvoll es ist, die Suche nach neuen Ereignissen mit der fortgesetzten Beobachtung bekannter Objekte zu verbinden: Ein Objekt, das verblasst ist, könnte noch eine weitere beobachtbare Episode vor sich haben.

Wichtige Punkte

• Forschende der USTC entdeckten im Januar 2024 die erneute Aufhellung von AT 2022dbl.
• Ähnliche Spektren der beiden Ausbrüche stützen die Schlussfolgerung, dass ein Schwarzes Loch zweimal Material von demselben Stern abriss.
• Das Team bezeichnet das Ereignis als erste wiederholte partielle Gezeitenzerreißung, die durch Spektroskopie bestätigt wurde.
• Swift, LCOGT und das Hale-Teleskop in Palomar lieferten Beobachtungen des zweiten Ausbruchs.
• Die Studie wurde am 9. August 2024 in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
• Die Forschenden vermuten einen eingefangenen Stern auf einer lang gestreckten Umlaufbahn und wollen mit dem WFST nach weiteren Beispielen suchen.