STERNE
Ein Schwarzes Loch, das vielleicht keines ist
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Erlangen-Nürnberg 
astronews.com
23. Januar 2020

Ein stellares Schwarzes Loch mit der fast siebzigfachen Masse unserer Sonne? Mit dieser Nachricht überraschten chinesische Astronomen unlängst ihre Kollegen. Nun haben andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich das ungewöhnliche System einmal genauer angeschaut und festgestellt, dass es sich eventuell gar nicht um ein Schwarzes Loch handelt - interessant ist es trotzdem.

Stellare Schwarze Löcher lassen sich in der Regel nur aufspüren, wenn sie Teil eines Doppelsternsystems sind. Bei Mikroquasaren, wie in dieser künstlerischen Darstellung, wird das Schwarze Loch durch Materialübertrag von einem Begleiter sichtbar. Im aktuellen Fall machte es sich allerdings nur durch seinen gravitativen Einfluss auf den Begleitstern bemerkbar.  Bild: ESO / L. Calçada / M.Kornmesser   [Großansicht]

Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn sehr massereiche Sterne am Ende ihres Lebens in sich zusammenfallen. Bisherigen Beobachtungen zufolge ist deren typische Masse etwa zehnmal so groß wie die der Sonne, genau wie theoretische Modelle zur Sternentwicklung es vorhersagen. Die von einem chinesischen Astronomenteam kürzlich postulierte Entdeckung eines stellaren Schwarzen Loches mit fast siebzig Sonnenmassen kam daher überaus überraschend, widerspräche solch ein Objekt doch unserem derzeitigen Verständnis wie sich massereiche Sterne entwickeln.

Das vermeintlich zu schwere Schwarze Loch zog sofort die Aufmerksamkeit der Fachwelt auf sich: Theoretische Entstehungsszenarien wurden vorgeschlagen und Nachbeobachtungen durch andere Astrophysiker organisiert. Auch ein Team der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Universität Potsdam hat sich das Objekt genauer angeschaut und kam zu dem Schluss, dass es sich dabei gar nicht unbedingt um ein Schwarzes Loch handeln muss, sondern möglicherweise um einen massereichen Neutronenstern oder einen ganz gewöhnlichen Stern.

Das vermeintliche Schwarze Loch wurde durch seine gravitative Anziehungskraft auf seinen hellen Begleitstern entdeckt. Die beiden Objekte umkreisen sich nämlich gegenseitig mit einer Umlaufdauer von etwa 80 Tagen. Nachbeobachtungen eines belgischen Teams zeigten, dass die Daten in der chinesischen Studie wohl fehlinterpretiert wurden und dass die Masse des Schwarzen Lochs deutlich unbestimmter als ursprünglich gedacht ist.

Die wohl wichtigste Frage blieb jedoch unbeantwortet, nämlich wie ein solches Sternsystem überhaupt entstehen kann. Um dies zu beantworten, muss man die Masse des hellen Begleitsterns mit Namen LS V+22 25 kennen. Je mehr Masse dieser Stern hat, desto mehr Masse muss das vermeintliche Schwarze Loch haben, um die beobachtete Bewegung von LS V+22 25 verursachen zu können. In der chinesischen Studie wurde angenommen, dass es ein ganz normaler Stern mit acht Sonnenmassen sei.

Das Astronomen-Team schaute sich daher das in der chinesischen Studie analysierte Spektrum des Begleitsterns, welches am Keck-Observatorium auf Hawaii aufgenommen wurde, noch einmal genauer an. Sie interessierten sich dabei besonders für die Häufigkeiten der chemischen Elemente an der Oberfläche des Sterns. Dabei fanden sie heraus, dass die gemessenen Häufigkeiten von Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff so gar nicht denen normaler massereicher Sterne ähneln. Das Häufigkeitsmuster dieser Elemente passt viel eher zu einem nuklearen Fusionsprozess von Wasserstoff.

Dieser Prozess kann allerdings nur im heißen Kern eines Sterns und nicht an seiner vergleichsweise kühlen Oberfläche stattfinden. "Auf den ersten Blick wirkt das Spektrum tatsächlich wie das eines gewöhnlichen jungen massereichen Sterns – bis auf einige merkwürdige Details. Deswegen haben wir die Daten noch einmal genauer betrachtet", erklärt Dr. Andreas Irrgang von der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg, dem astronomischen Institut der FAU.

Die Forscher erklären das ungewöhnliche chemische Häufigkeitsmuster von LS V+22 25 als Folge einer vorherigen Interaktion des Sterns mit seinem Begleiter. Diese Wechselwirkung könnte dazu geführt haben, dass LS V+22 25 seine äußeren Schichten verloren hat und nur noch sein hüllenloser Kern übrig geblieben ist. Dessen chemische Zusammensetzung würde genau wie beobachtet durch den nuklearen Fusionsprozess von Wasserstoff dominiert werden. Der hüllenlose Kern hätte jedoch deutlich weniger Masse als ein ganz normaler Stern mit acht Sonnenmassen.

Die Wissenschaftler kombinierten ihre Ergebnisse mit den neuesten Entfernungsmessungen des Astrometriesatelliten Gaia der Europäischen Weltraumorganisation ESA und schätzten so die Masse von LS V+22 25 auf 1,1 Sonnenmassen (mit einer Unsicherheit von plus/minus 0,5 Sonnenmassen). Dies wiederum bedeutet, dass die Masse seines Begleiters im kleinsten Fall etwa zwei bis drei Sonnenmassen betragen könnte.

In diesem Fall müsste es sich nicht unbedingt um ein Schwarzes Loch handeln – es könnte auch ein massereicher Neutronenstern oder ein ganz gewöhnlicher Stern sein. Und auch wenn der Stern LS V+22 25 erst durch seinen vermeintlichen Begleiter, das zu schwere Schwarze Loch, große Bekanntschaft erlangte, zieht er als hüllenloser Stern mit sehr hoher Heliumhäufigkeit dank der Arbeiten in Bamberg und Potsdam das Interesse der Fachwelt nun selbst auf sich. Modelle zur Sternentwicklung sagen zwar solche Objekte vorher, aber bisher wurden nur sehr wenige davon tatsächlich entdeckt. Sie können jedoch wesentlich dazu beitragen, dass man besser versteht, wie sich Doppelsterne entwickeln.

Über ihre Untersuchung berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde.