Enger Doppelstern auf dem Weg zu verschmelzenden schwarzen Löchern

Zwei massereiche, sich berührende Sterne in einer Nachbar­galaxie sind auf dem besten Weg, zu schwarzen Löchern zu werden, die bei ihrem Zusammenstoß starke Wellen im Raumzeit­kontinuum auslösen könnten. Das zeigt eine Studie von Wissen­schaftlern des University College London und der Uni Potsdam. Die beiden Wissen­schaftler haben für ein bekanntes Doppelstern­system Daten von verschiedenen Teleskopen am Boden und im All analysiert. Sie fanden heraus, dass die Sterne aus der Kleinen Magel­lanschen Wolke mitein­ander im Kontakt stehen und Material austauschen. Die Sterne umkreisen sich alle drei Tage und sind die masse­reichsten bisher bekannten Doppelsterne.

Vergleicht man die Ergebnisse mit theoretischen Modellen der Entwicklung von Doppelstern­systemen, so wird der Stern, der derzeit Material verliert, zuerst zu einem schwarzen Loch kollabieren und nach einiger Zeit beginnen, Material von seinem Stern­begleiter abzusaugen. Der Begleiter wird daraufhin ebenfalls zu einem schwarzen Loch. Diese schwarzen Löcher werden sich innerhalb weniger Millionen Jahre bilden und einander für viele Milliarden Jahre umkreisen, um schließlich kollidieren, wobei sie Gravitations­wellen erzeugen.

„Dank der Gravitations­wellen­detektoren Virgo und LIGO wurden in den letzten Jahren Dutzende verschmelzender schwarzer Löcher entdeckt“, erläutert Matthew Rickard vom University College London. „Bisher haben wir jedoch noch keine Sterne beobachtet, die zu schwarzen Löchern dieser Größe kollabieren und in einer Zeitspanne verschmelzen, die kürzer ist als das Alter des Universums. Unser am besten passendes Entwicklungs­modell legt nahe, dass diese Sterne in 18 Milliarden Jahren zu schwarzen Löchern verschmelzen werden. Die Entdeckung von Sternen auf diesem Entwick­lungs­pfad so nah an unserer Galaxis bietet uns eine hervor­ragende Gelegenheit, noch mehr über die Entstehung dieser Systeme zu erfahren.“

„Dieses Kontakt-Doppelstern­system ist das massivste, was bisher beobachtet wurde“, sagt Daniel Pauli von der Uni Potsdam. „Der kleinere und heißere Stern besitzt 32 Sonnenmassen und verliert aktuell Material an seinen 55 Sonnen­massen schweren Begleiter.“

In ihrer Studie haben die Wissen­schaftler verschiedene Wellen­längen­bereiche des Doppelstern­systems spektro­skopisch vermessen, von ultra­violettem über sichtbares bis hin zu infrarotem Licht. Mit diesen Daten haben sie die Radial­geschwin­dig­keit der Sterne, die angibt wie schnell sie sich zu uns hin oder von uns wegbewegen, sowie ihre Massen, Hellig­keiten, Temperaturen und Umlaufbahnen bestimmt. Schließlich passten sie diese Parameter mit einem Entwicklungs­modell an.

Ihre spektroskopische Analyse zeigt, dass die äußere Hülle des kleineren Sterns durch den größeren Stern aufgesaugt wurde. Sie beobachteten auch, dass die Radien beider Sterne die Roche-Grenze, also die Region um einen Stern, in der Material durch die Gravitation an den Stern gebunden ist, über­schreiten. Die Beobachtung belegt, dass Material vom kleineren Stern auf den Begleiter übergeht.

Zur künftigen Entwicklung der Sterne erklärt Rickard: „Der kleinere Stern wird in nur 700.000 Jahren zu einem schwarzen Loch kollabieren, entweder in einer spektakulären Supernova-Explosion oder auch ohne Explosion aufgrund seiner Masse. Für etwa drei Millionen Jahre werden beide unbequeme Nachbarn sein, bevor das erste schwarze Loch anfängt, Masse von seinem Begleiter anzuziehen und sich an ihm zu rächen.“

Pauli, der die Modellie­rungen durch­geführt hat, fügt hinzu: „Nach nur 200.000 Jahren, einem astronomischen Augenblick, wird der Begleitstern ebenfalls zu einem schwarzen Loch kollabieren. Die beiden massereichen Sterne werden einander weiterhin für einige Milliarden Jahre umkreisen. Langsam werden sie durch die Abgabe von Gravitations­wellen Energie verlieren, bis sie sich immer schneller im Sekundentakt umkreisen und schließlich in 18 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen, während sie über Gravitations­wellen enorme Energiemengen freisetzen.“

U. Potsdam / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. J. Rickard & D. Pauli: A low-metallicity massive contact binary undergoing slow Case A mass transfer: A detailed spectroscopic and orbital analysis of SSN 7 in NGC 346 in the SMC, Astron. Astroph., im Druck (2023); DOI: 10.1051/0004-6361/202346055
• Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam
• Dptm. of Physics and Astronomy, University College London, Großbritannien