Junger heißer blauer Stern - das supermassereiche Schwarze Loch hat gesprochen, es ist Zeit für dich, die Galaxie zu verlassen. Ein Stern wird in eine elliptische Umlaufbahn um das supermassereiche Schwarze Loch gebracht und der andere direkt aus der Galaxie geworfen. Dr. Warren Brown vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics war einer der Astronomen, die kürzlich zwei im Exil lebende Sterne aufgetaucht sind.
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Fraser Cain: Kannst du mir etwas über die Sterne erzählen, die du beobachtet hast und wie sie aus unserer Galaxie geworfen werden?
Dr. Warren Brown: Was wir entdeckt haben, sind zwei Sterne in den weit entfernten Regionen der Milchstraße, die sich mit einer Geschwindigkeit fortbewegen, die noch niemand in unserer Galaxie gesehen hat, zumindest Sterne außerhalb des galaktischen Zentrums. Nur dass diese Sterne Hunderttausende von Lichtjahren vom galaktischen Zentrum entfernt sind. Und doch ist die einzige plausible Erklärung für ihre Geschwindigkeit, dass sie vom supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie ausgestoßen wurden.
Fraser: Also sind sie zu nahe an das supermassereiche Schwarze Loch herangekommen und wurden irgendwie rausgeschmissen?
Brown: Ja, hier ist das Bild. Dieses Szenario erfordert drei Körper, und Astronomen sagen, dass es am wahrscheinlichsten ist, wenn Sie ein Paar Sterne haben. Wie Sie vielleicht wissen, sind etwa die Hälfte der Sterne am Himmel Systeme, die ein Paar oder manchmal mehr Sterne enthalten. Wenn Sie also ein fest gebundenes Sternpaar haben, das sich aus irgendeinem Grund zu nahe an das supermassereiche Schwarze Loch bewegt, überschreitet die Schwerkraft des Schwarzen Lochs irgendwann die Bindungsenergie zwischen dem Sternenpaar und reißt einen dieser Sterne weg . Es wird den einen Stern einfangen, aber der andere Stern verlässt das System mit der Orbitalenergie des Paares. Und so erhalten Sie diesen zusätzlichen Geschwindigkeitsschub. Es ist so, dass das supermassereiche Schwarze Loch im Grunde genommen in der Lage ist, einen Stern zu lösen, ihn einzufangen und den anderen mit der gesamten Energiemenge zu belassen, die das Paar früher hatte. Und dieser Stern wird dann direkt aus der Galaxie ausgestoßen.
Fraser: Wenn dann ein normaler einzelner Stern zu nahe käme, hätte er nicht die Energie, um ausgestoßen zu werden. Ich glaube, ich habe einige Simulationen gesehen, bei denen der Stern dem Schwarzen Loch zu nahe kommt und die Richtung seiner Umlaufbahn ändert, aber er bewegt sich immer noch weiter.
Brown: Sicher, Sie können sich vorstellen, dass es sich um ein Raumschiff handelt, das um Jupiter herumgeschleudert wird oder so. Sie können sich vorstellen, dass Sie möglicherweise die Flugbahn ändern und an Geschwindigkeit gewinnen. Aber es gibt keinen Mechanismus in der Galaxie, um so viel Geschwindigkeit für etwas zu erreichen, das die Masse eines Sterns mit 3-4 Sonnenmassen hat. Das erfordert eine Drei-Körper-Interaktion, um die Geschwindigkeit zu erzeugen, die wir sehen. Und was wir beobachten, ist ihre Bewegung in Bezug auf uns. Sie entfernen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 bis 1,5 Millionen Meilen pro Stunde von uns.
Fraser: Wie schnell wären die Sterne gegangen, als sie hereinkamen, um ihre Trennung zu treffen?
Brown: Ich weiß es nicht genau. Wahrscheinlich etwas Zehnfaches, kurz vor dem Moment, in dem sie am Schwarzen Loch vorbeischwingen. Wenn Sie das Gravitationspotential des Schwarzen Lochs verlassen, verlangsamen sie sich natürlich ziemlich plötzlich. Ihre endgültige Fluchtgeschwindigkeit beobachten wir jetzt; es liegt in der Größenordnung von einer Million Meilen pro Stunde. Und das ist weit mehr als die doppelte Geschwindigkeit, die Sie benötigen, um unserer Galaxie insgesamt zu entkommen. Diese Sterne sind wirklich Exilanten. Sie werden aus der Galaxie ausgestoßen und werden niemals zurückkehren.
Fraser: Und ein Stern wird rausgeschmissen. Was passiert mit dem anderen Stern?
Brown: Das ist eine interessante Frage. Tatsächlich gibt es ein theoretisches Papier, das einige Theoretiker geschrieben haben und das darauf hinweist, dass diese Sterne in sehr langen elliptischen Bahnen um das zentrale massive Schwarze Loch die ehemaligen Begleiter dieser sogenannten Hypervelocity-Sterne sein könnten, die wir entdeckt haben. Und das ist die Art von Umlaufbahn, die Sie erwarten würden. Wenn der Stern nicht so viel Pech hat, direkt in das Schwarze Loch zu fallen, wird er, wenn er nur ein wenig verfehlt, einfach herumschwingen und sich dann auf einer sehr langen elliptischen Umlaufbahn um das zentrale massive Schwarze Loch befinden.
Fraser: Und woher stammt das Paar? Ist dies ein Schicksal, das einige nahegelegene Doppelsterne betreffen könnte?
Brown: Nun, das kommt tatsächlich zum Gesamtbild. Das galaktische Zentrum ist ein interessanter Ort. Es hat viele junge Stars. Drei der jüngsten massiven Sternhaufen, die in der Galaxie entdeckt wurden, stammen aus der Nähe des galaktischen Zentrums. Und sie enthalten einige der massereichsten Sterne der Galaxie. Es gibt also viele junge Sterne, die dort unten umkreisen. Die Frage ist, wie man einen Stern dazu bringt, seine Umlaufbahn so zu verändern, dass er direkt auf das supermassereiche Schwarze Loch schießt, anstatt nur um ihn herum zu kreisen, wie die Erde die Sonne umkreist. Und das ist eine offene Frage. Und eine Sache, die diese Hypervelocity-Sterne, die wir entdeckt haben, uns Hinweise darauf geben, wie dieser Mechanismus vielleicht funktioniert. Eine Idee ist beispielsweise, dass wir bei diesen Sternhaufen beobachtet haben. Vielleicht können sie durch dynamische Reibung, wenn sie auf andere Sterne treffen, langsam in Richtung des galaktischen Zentrums sinken, in dem sich das Schwarze Loch befindet. Und wenn das passieren würde, könnte man sich vorstellen, dass plötzlich eine ganze Reihe von Sternen direkt neben diesem massiven Schwarzen Loch waren. Sie könnten einen Ausbruch dieser Hypervelocity-Sterne bekommen. Es gibt alle möglichen Sterne zum Auswerfen. Und doch haben die Sterne, die wir alle beobachten, andere Reisezeiten als das galaktische Zentrum. Dies ist nur ein Hinweis, aber wir beginnen bereits, etwas über die Geschichte der Sterne zu sagen, die mit dem supermassiven Schwarzen Loch interagieren. Und was bisher erscheint, ist, dass es keine Hinweise darauf gibt, dass Sternhaufen in das galaktische Zentrum fallen.
Fraser: Es könnte eine Art Förderband geben, auf dem Sterne geboren werden und die dann langsam sinken und dann rausgeschmissen werden, wenn sie zu nahe kommen.
Brown: Ja, das ist eine Idee. Damit dieses Förderband funktioniert, benötigen Sie einen massiven Ort wie einen Sternhaufen, damit das Förderband funktioniert. Um etwas in Richtung des massiven Schwarzen Lochs versenken zu können. Wenn ein massives Objekt auf viele massive Objekte trifft, stellt sich heraus, dass weniger massive Objekte dazu neigen, etwas mehr Energie abzugeben. Wenn das massive Objekt, in diesem Fall ein Sternhaufen, Energie verliert, zerfällt seine Umlaufbahn und es nähert sich dem galaktischen Zentrum.
Fraser: Angesichts der wenigen Anzahl von Sternen, die Sie gefunden haben, und der großen Anzahl von Sternen in der Galaxie muss es eine ziemlich schwierige Aufgabe gewesen sein, diese Typen aufzuspüren. Welche Methode haben Sie angewendet?
Brown: Ja, das ist tatsächlich eines der aufregenden Ergebnisse dieser Zeit. Die erste Entdeckung vor einem Jahr nach dem ersten Hypervelocity-Stern war so etwas wie eine zufällige Entdeckung. Und diesmal haben wir aktiv nach ihnen gesucht. Und der Trick war, dass diese Dinge sehr selten sein sollten. Theoretiker schätzen, dass es in der gesamten Galaxie vielleicht tausend dieser Sterne gibt. Und die Galaxie enthält über 100 Milliarden Sterne. Wir mussten also so aussehen, dass wir ziemlich gute Chancen hatten, mehr davon zu finden. Und unsere Strategie war zweifach. Zum einen befinden sich am Rande der Milchstraße meist alte Zwergsterne. Sterne wie die Sonne oder weniger rote Sterne. Es gibt keine jungen, blauen Sterne, und das ist die Art von Stern, nach der wir gesucht haben. Sterne, die jung und leuchtend sind, damit wir sie weit weg sehen können, aber wo es diese Sterne am Rande der Galaxie nicht geben sollte. Und der andere Teil der Strategie bestand darin, nach schwachen Sternen zu suchen. Je weiter Sie hinausgehen, desto weniger Hintergrundsterne der Galaxie haben Sie zu kämpfen. Und desto wahrscheinlicher werden Sie auf diese Hypervelocity-Sterne stoßen, im Gegensatz zu einem anderen Stern, der gerade die Galaxie umkreist.
Fraser: Und mit welcher Methode können Sie tatsächlich feststellen, wie schnell sich der Stern bewegt?
Brown: Dafür mussten wir ein Spektrum des Sterns aufnehmen. Mit dem 6,5-MMT-Teleskop in Arizona haben wir den Stern auf einen unserer Kandidatensterne gerichtet. Wir nehmen das Licht von diesem Stern und setzen es in ein Regenbogenspektrum und machen ein Bild von diesem Spektrum. Und die Elemente in der Sternatmosphäre dienen als Fingerabdruck. Sie können Absorptionslinien aufgrund von Wasserstoff und Helium und anderen Elementen sehen. Und es wurden die Bewegungen verwendet, die Doppler-Verschiebungen - in diesem Fall die Rotverschiebungen - dieser Wellenlängen sagten uns, wie schnell sich die Sterne von uns weg bewegten. Und die meisten Sterne in unserer Stichprobe waren normale Galaxiensterne; Sie bewegten sich ziemlich langsam, und dann bewegten sich zwei davon ziemlich schnell, und das sind die beiden, die wir gerade angekündigt haben.
Fraser: Und was sagt uns das über die Bildung von Sternen oder das Zentrum der Galaxie oder ...
Brown: Nun, diesmal ist das tatsächlich ein interessanter Teil der Geschichte. Jetzt, da wir tatsächlich eine Stichprobe davon haben, dies sind wirklich eine neue Klasse von Objekten, diese Hypervelocity-Sterne, können wir anfangen, etwas darüber zu sagen, woher sie kommen, nämlich das galaktische Zentrum. Diese Sterne eignen sich hervorragend, um uns die Geschichte zu erzählen, was im galaktischen Zentrum passiert ist. Ihre Reisezeiten erzählen uns etwas über die Geschichte, was passiert ist, aber auch über die Arten von Sternen, die wir sehen. In diesem Fall diese jungen blauen Sterne - diese 3-4 Sonnenmassensterne - die Astronomen sie als Sterne vom Typ B bezeichnen. Die Tatsache, dass wir in unserer Vermessungsregion zwei gesehen haben, die wir für etwa 5% des Himmels durchgeführt haben, stimmt mit der durchschnittlichen Verteilung der Sterne überein, die Sie in der Galaxie sehen würden. Aber im Widerspruch zu den vielen dieser Sternhaufen, die Sie im galaktischen Zentrum sehen. Allein die Tatsache, welche Art von Sternen Sie sehen, sagt uns etwas über die Bevölkerung dessen, was aus der Galaxie geschossen wurde. In diesem Fall sieht es nicht so aus, als wären es diese supermassiven Sternhaufen, sondern Ihr durchschnittlicher Stern, der durch die Galaxie wandert.
Fraser: Und wenn Sie ein Super-Hubble-Teleskop zur Verfügung hätten, wonach würden Sie suchen wollen?
Brown: Oh, wir möchten nach der Bewegung dieser Sterne am Himmel suchen. Also alles was wir wissen ist ihre Mindestgeschwindigkeit. Das einzige, was wir messen können, ist ihre Geschwindigkeit in der Sichtlinie in Bezug auf uns. Was wir nicht wissen, ist die Geschwindigkeit in der Ebene des Himmels, die sogenannte Eigenbewegung. Mit Hubble ist dies möglich, wenn Sie 3-5 Jahre Basislinien haben, mit denen Sie sehen können, wie sich diese Sterne bewegen. Es sollte eine sehr kleine Bewegung sein. Wenn Sie einen super Hubble hätten, könnten Sie ihn vielleicht in einem Jahr sehen. Das wäre also sehr interessant zu wissen. Das würde Ihnen nicht nur sicher sagen, dass diese wirklich vom galaktischen Zentrum kommen und nicht von einem anderen Ort, sondern auch von ihren Flugbahnen. Wenn Sie genau wussten, wie sie sich bewegen, zeigt Ihnen jede Abweichung von einer geraden Linie vom galaktischen Zentrum, wie sich die Schwerkraft der Galaxie im Laufe der Zeit auf ihre Flugbahn ausgewirkt hat. Und das ist auch sehr interessant zu wissen.
Fraser: Richtig, das würde helfen, die Verteilung der dunklen Materie zu bestimmen.
Brown: Genau. Astronomen schließen also auf die Anwesenheit dunkler Materie. Wir sehen Sterne, die die Galaxie schneller umkreisen als sie sein sollten, nur weil es eine Masse zu geben scheint, die wir nicht erklären können, wenn wir sie in ihren Umlaufbahnen halten. Und diese dunkle Materie ist schwer zu verstehen, wie sie sich in der Galaxie verteilt. Aber diese Sterne befinden sich bereits am Rande der Galaxie, und während sie durch sie hindurchgehen, summiert sich diese Störung, diese Anziehungskraft der dunklen Materie, während sich diese Dinge durch die Galaxie bewegen, langsam auf ihrem Weg. Sie messen also tatsächlich die Verteilung dieser dunklen Materie, nur auf ihren Umlaufbahnen. Wenn Sie also ihre Bewegung einer Stichprobe von Sternen messen könnten, erhalten Sie tatsächlich einen Überblick darüber, wie sich die dunkle Materie in der Galaxie verteilt.
