Die Andromedagalaxie liegt etwa 2,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und enthält mindestens eine Billion Sterne. Kürzlich entdeckten Astronomen, dass einer von ihnen, der massereiche Stern M31, spurlos verschwunden war. Das ist seltsam, da massereiche Sterne normalerweise infolge einer Supernova-Explosion sterben – einem hellen Ereignis, bei dem beobachtet wird, dass die Helligkeit eines Himmelskörpers um 10–20 Größenordnungen zunimmt. Somit könnten die Ergebnisse der neuen Studie unser Verständnis darüber verändern, wie große Sterne ihr Leben beenden und wie eines der mysteriösesten Objekte in den Weiten des Universums entsteht – Schwarze Löcher.
Das Verschwinden eines massereichen Sterns markierte die Geburt eines Schwarzen Lochs in der Andromeda-Galaxie. Bild: phys.org
Am Nachthimmel ist die Andromedagalaxie mit bloßem Auge als schwacher, heller Fleck zu erkennen. Die Anzahl der Sterne in dieser Spiralgalaxie übersteigt die Anzahl der Sterne in der Milchstraße bei weitem. Darüber hinaus bewegt sich die Andromeda-Galaxie mit einer Geschwindigkeit von etwa 110 Kilometern pro Sekunde auf unsere Galaxie zu. Forscher glauben, dass sie in etwa 4 Milliarden Jahren kollidieren und eine einzige riesige elliptische Galaxie bilden werden. Zuvor kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Kollision bereits begonnen hat.
Wie sterben Sterne?
In der Weite des Universums währt nichts ewig – sogar Sterne sterben. So entstehen aus Sternnebeln massereiche Gestirne, etwa achtmal schwerer als die Sonne, die sich in Protosterne und dann in Überriesen verwandeln. Der Lebenszyklus dieser Himmelskörper basiert auf dem Gleichgewicht zwischen innerer Schwerkraft und äußerem Druck durch Kernfusion. Wenn am Ende des Lebens eines Sterns der Kernbrennstoff aufgebraucht ist und das Gleichgewicht gestört ist, kollabiert der Stern in einer Supernova-Explosion.
Die Andromedagalaxie, die die lokale Galaxiengruppe anführt, verfügt über mehrere Zwergsatelliten, darunter M32 und M110. Bild: britannica.com
Diese kosmischen Ereignisse sind so hell, dass sie mehrere Monate lang die gesamte Galaxie überstrahlen können. Explosionen, die Neutronensterne oder Schwarze Löcher zurücklassen, werden Kernkollaps-Supernovae oder Typ-II-Supernovae genannt und kommen relativ selten vor: In der Milchstraße beispielsweise kommt es alle hundert Jahre zu einer solchen Explosion.
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Denken Sie daran, dass Neutronensterne die dichtesten Objekte im Universum sind, deren Masse um ein Vielfaches größer ist als die der Sonne. Schwarze Löcher wiederum sind Objekte, deren Gravitationskraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht (geschweige denn Schall), entkommen kann.
Supernova ohne Explosion
Der traditionelle Prozess des Sternentods muss offenbar überarbeitet werden. Die Autoren einer neuen Studie, die auf dem Preprint-Server ArXiv präsentiert wurde, beobachteten einen massereichen Stern namens M31-2014-DS1 in der Andromeda-Galaxie und stellten fest, dass der Stern spurlos verschwand und an seiner Stelle ein Schwarzes Loch entstand.
Im Jahr 2014 begann der massereiche Stern M31 im mittleren Infrarot hell zu leuchten. Beobachtungsdaten zeigten dann, dass seine Leuchtkraft tausend Tage lang stabil blieb, aber in den nächsten tausend Tagen (von 2016 bis 2019) verdunkelte sich der Stern stark und verschwand 2023 aus den Beobachtungen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich.
Supernova-Explosion vom Typ 2. Bild: ESO
Beobachtungsdaten zeigten auch, dass M31 von einer kürzlich ausgestoßenen Staubhülle umgeben war, was auf eine Supernova-Explosion hindeutet, es wurden jedoch keine optischen Beweise für den Ausbruch gefunden. Da dieses Verhalten nicht mit bekannten Arten veränderlicher Sterne übereinstimmt, beschloss ein Team von Astronomen unter der Leitung von Kishalaya De vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), zu verstehen, was geschah.
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Es stellt sich heraus, dass dieser Stern, der nicht mit Wasserstoff angereichert ist, wahrscheinlich das Ende seines Lebens erreicht hat und sofort in ein Schwarzes Loch kollabiert ist, wodurch das Supernova-Stadium umgangen wurde. Insbesondere betrug seine Anfangsmasse etwa das 20-fache der Masse unserer Sonne, und zum Zeitpunkt des Kollaps betrug sie bereits 6,7 Sonnenmassen.
Unter normalen Bedingungen kollabieren massereiche Sterne infolge der Neutronisierung, wenn Elektronen verbinden sich mit Protonen zu Neutronen und emittieren Neutrinos. Der gewaltige Neutrinoausbruch erzeugt eine Schockwelle, die den Stern explodieren lässt. Doch wenn die Schockwelle die Schwerkraft des Sterns nicht überwinden kann, kollabiert der Stern weiter und verwandelt sich ohne Explosion in ein Schwarzes Loch.
Offenbar explodieren massereiche Sterne manchmal nicht als Supernovae, sondern verwandeln sich sofort in Schwarze Löcher. Bild:
Das Bild oben zeigt insbesondere, wie eine Neutrino-Stoßwelle zerfallen und zur Bildung eines Schwarzen Lochs führen kann, ohne dass es zu einer Supernova-Explosion kommt. Der Buchstabe «A» Die anfängliche Stoßwelle ist markiert, wobei die blauen Linien die emittierten Neutrinos darstellen und der rote Kreis die sich nach außen ausbreitende Stoßwelle darstellt. Der Buchstabe «B» Es ist eine Verlangsamung des Neutrino-Aufpralls zu beobachten, und die weißen Pfeile zeigen fallende Materie an: wenn die äußeren Schichten nach innen fallen und die Neutrino-Erwärmung nicht stark genug ist, um den Aufprall wiederzubeleben.
Der Buchstabe «C» Die rote gestrichelte Linie markiert die Auflösung der Stoßwelle und die klaren weißen Pfeile zeigen die Beschleunigung des Zusammenbruchs an, wenn die äußeren Schichten schnell zerstört werden und der Kern zunehmend kompakter wird. Der Buchstabe «D» Es wird die Bildung eines Schwarzen Lochs festgestellt, wobei der blaue Kreis den Ereignishorizont darstellt und das verbleibende Material seine Akkretionsscheibe bildet.
Das abrupte und anhaltende Aussterben von M31-2014-DS1 ist ein außergewöhnliches Ereignis in der Variabilitätslandschaft massereicher, entwickelter Sterne. In Ermangelung jeglicher Hinweise auf eine Supernova-Explosion wurden Sichtungen der „verschwundenen“ Supernova-Explosion durchgeführt. Die Leuchte weist Anzeichen eines Sterntods auf, der zu einem Kernkollaps ohne Aufflackern führt, schlussfolgerten die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit.
Die Entdeckung hat gravierende Auswirkungen auf die Astrophysik, denn wenn ein erheblicher Teil der massereichen Sterne auf diese Weise ihr Leben beendet, muss auch das übliche Verständnis der chemischen Entwicklung von Galaxien revidiert werden. Supernovae spielen eine Schlüsselrolle bei der Zerstreuung der schweren Elemente, die für die Bildung von Planeten und Leben erforderlich sind, und das Ausbleiben einer Explosion bedeutet, dass diese Elemente im Schwarzen Loch verbleiben.
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Wie viele massereiche Sterne sterben, ohne zu explodieren?
Beachten Sie, dass M31-2014-DS1 nicht der einzige bekannte Fall ist. Im Jahr 2009 entdeckten Astronomen in der Galaxie NGC 6946 den Stern N6946-BH1, der ebenfalls ohne Explosion verschwand. Solche Daten zwingen Wissenschaftler dazu, Statistiken zu überdenken: Vielleicht enden 20 bis 30 % der massereichen Sterne ihr Leben ohne eine Supernova-Explosion.
Das Verständnis des Prozesses des Sterntods beeinflusst Modelle der Galaxienentstehung, die Verteilung schwerer Elemente im Universum und sogar die Häufigkeit von Schwarzen Löchern. Somit werden die Ergebnisse der neuen Studie dazu beitragen, bestehende Modelle zu verfeinern und zu einer Überarbeitung einiger grundlegender Konzepte zu führen.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass wir die Natur von Supernovae möglicherweise nicht so gut verstehen, wie wir dachten. Bild: Combopop.com.br
Das Team plant, M31 weiterhin zu beobachten, um seine Ergebnisse zu bestätigen. Mit der Weiterentwicklung der Technologie, etwa empfindlicherer Teleskope und Gravitationswellendetektoren, werden Astronomen in Zukunft in der Lage sein, mehr solcher Ereignisse zu erkennen und statistisch signifikante Daten zu sammeln. Dies wird Wissenschaftlern helfen, die Prozesse, die zu „fehlgeschlagenen“ Forschungsprojekten führen, besser zu verstehen. Supernova.
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Das Verschwinden des Sterns M31 in der Andromeda-Galaxie ohne eine Supernova-Explosion also stellt traditionelle Vorstellungen über den Tod massereicher Sterne in Frage und bedeutet auch, dass es in unserem Universum viele ähnliche stille Zusammenbrüche geben könnte, von denen wir bisher nichts wussten.