Internationales Gemini-Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani
Als Astronomen im Oktober 2019 einen starken Gammastrahlenausbruch (GRB) entdeckten, war die wahrscheinlichste Erklärung, dass er von einem massereichen sterbenden Stern in einer fernen Galaxie verursacht wurde, der in einer Supernova explodierte. Daten aus späteren Beobachtungen zeigten jedoch, dass der Ausbruch durch die Kollision von Sternen (oder ihren Überresten) in einem dicht gepackten Gebiet in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs einer alten Galaxie entstand, heißt es in einem neuen Artikel, der in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass es sich um ein solch seltenes Ereignis handelt, aber dies ist der erste Beobachtungsbeweis dafür.
Wie wir bereits berichtet haben, handelt es sich bei Gammastrahlenausbrüchen um extrem energiereiche Explosionen in fernen Galaxien, die zwischen wenigen Millisekunden und mehreren Stunden dauern. Es gibt zwei Klassen von Gammastrahlenausbrüchen. Bei den meisten (70 Prozent) handelt es sich um lange Ausbrüche von mehr als zwei Sekunden Dauer, oft mit einem hellen Nachleuchten. Diese werden normalerweise mit Galaxien mit schneller Sternentstehung in Verbindung gebracht. Astronomen glauben, dass lange Ausbrüche mit dem Tod massereicher Sterne verbunden sind, die kollabieren und einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch (oder alternativ einen neu gebildeten Magnetar) bilden. Das kleine Schwarze Loch würde Strahlen hochenergetischer Teilchen erzeugen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und stark genug sind, um die Überreste des Vorgängersterns zu durchdringen und dabei Röntgen- und Gammastrahlen auszusenden.
Diese Gammastrahlenausbrüche, die weniger als zwei Sekunden (etwa 30 Prozent) dauern, gelten als kurze Ausbrüche und werden normalerweise aus Regionen mit sehr geringer Sternentstehung emittiert. Astronomen gehen davon aus, dass diese Gammastrahlenausbrüche auf die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch zurückzuführen sind und eine „Kilonova“ bilden.
Der Gammastrahlenausbruch, der 2019 vom Neil Gehrels Swift Observatory der NASA entdeckt wurde, fiel in die lange Kategorie. Doch die Astronomen waren verwirrt, weil sie keine Hinweise auf eine entsprechende Supernova fanden. „Auf hundert Ereignisse, die in das traditionelle Klassifizierungsschema von Gammastrahlenausbrüchen passen, gibt es mindestens einen Sonderling, der uns aus der Fassung bringt“, sagte Co-Autor Wen-fai Fong, Astrophysiker an der Northwestern University. „Allerdings sind es diese Sonderlinge, die uns am meisten über die spektakuläre Vielfalt an Explosionen verraten, zu denen das Universum fähig ist.“
Fasziniert verfolgten Fong und seine Co-Autoren das verblassende Nachglühen des Ausbruchs mithilfe des International Gemini Observatory, ergänzt durch Daten, die von den Nordic Optical Telescopes und dem Hubble-Weltraumteleskop gesammelt wurden. Das Nachglühen ermöglichte es ihnen, den Standort des GRB auf eine Region zu lokalisieren, die nur 100 Lichtjahre vom Kern einer alten Galaxie entfernt ist – also ganz in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs in seinem Zentrum. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Ausbruch durch die Kollision zweier Sterne oder Sternreste entstanden war.
Das ist von Bedeutung, da es je nach Masse drei bekannte Prozesse gibt, nach denen ein Stern stirbt. Massereiche Sterne explodieren in einer Supernova, während ein Stern mit der Masse unserer eigenen Sonne seine äußeren Schichten abwirft und schließlich verblasst, um zu einem Weißen Zwerg zu werden. Und die stellaren Überreste von Supernovae – Neutronensterne oder Schwarze Löcher – können Doppelsternsysteme bilden und schließlich kollidieren.
Jetzt haben wir eine vierte Alternative: Sterne in dicht gepackten Bereichen alter Galaxien können kollidieren – ein Ereignis, das in aktiven Galaxien, die nicht so dicht sind, sehr selten vorkommt. Eine uralte Galaxie könnte eine Million Sterne auf einem Gebiet von nur wenigen Lichtjahren Durchmesser haben. Und in diesem Fall hätten die Gravitationseffekte der Nähe zu einem supermassereichen Schwarzen Loch die Bewegungen dieser Sterne so verändert, dass sie sich in zufällige Richtungen bewegten. Irgendwann würde es zwangsläufig zu einer Kollision kommen.
Tatsächlich vermuten die Autoren, dass diese Art von Kollisionen möglicherweise gar nicht so selten sind; Wir können die verräterischen GRBs und Nachglühen einfach nicht erkennen, weil all der Staub und das Gas unsere Sicht auf die Zentren antiker Galaxien verdecken. Wenn Astronomen in Zukunft eine Gravitationswellensignatur in Verbindung mit einem solchen GRB aufspüren könnten, könnte ihnen das mehr über diese Art von Sterntod sagen.
„Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass Sterne in einigen der dichtesten Regionen des Universums sterben können, wo sie zur Kollision getrieben werden können“, sagte Co-Autor Andrew Levan, Astronom an der Radboud-Universität in den Niederlanden. „Das ist spannend, um zu verstehen, wie Sterne sterben, und um andere Fragen zu beantworten, etwa welche unerwarteten Quellen Gravitationswellen erzeugen könnten, die wir auf der Erde entdecken könnten.“
DOI: Nature Astronomy, 2023. 10.1038/s41550-023-01998-8 (Über DOIs).