Der spaghettisierte Stern und das schwarze Loch: Ein anderer Blick

Ein schwarzes Loch „spaghettisiert“ einen Stern! Das klingt dramatisch. Das sieht auch dramatisch aus, zumindest auf den künstlerischen Darstellungen die die Pressemitteilung zu dieser Forschung und die meisten Medienberichte begleiten. Und das ist auch dramatisch! Es handelt sich um sehr spannende und wichtige Forschung. Die es aber genau deswegen auch verdient hat, dass man einen anderen Blick auf sie wirft. Einen Blick, der nicht nur auf die künstlerischen Darstellungen schaut sondern auf die realen wissenschaftlichen Beobachtungen.

Die Fakten

Schauen wir zu Beginn kurz auf das, was passiert ist. Im Zentrum einer 215 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch. So wie in allen anderen Galaxien. So wie auch in unserer eigenen Galaxie. Ein Stern aus dieser fernen Galaxie ist dem schwarzen Loch zu nahe gekommen. Dessen starke Gravitationskraft hat den Stern auseinander gerissen; das Gas aus dem der Stern besteht ist in das Loch gefallen und bei diesem Prozess ist jede Menge Energie in Form eines hellen Lichtblitzes freigeworden. Solche Ereignisse hat man auch früher schon anderswo beobachtet. Dieser spezielle Fall ist aber insofern besonders, als man so etwas noch nie so nah und gleichzeitig so ausführlich beobachten konnte.

Wie geht das?

So. Jetzt hat da sehr coole Forschung stattgefunden. Nur: Wie genau ist das passiert? Das, was in den künstlerischen Darstellungen sehr künstlerisch dargestellt ist, hat man so natürlich nicht beobachtet. Nicht einmal ansatzweise. Die realen Beobachtungsdaten sehen eher so aus:

Diese Bilder stammen aus der originalen Publikation der ForscherInnen: „An outflow powers the optical rise of the nearby, fast-evolving tidal disruption event AT2019qiz“. Das erste Bild zeigt die Helligkeit des Objekts im normalen sichtbaren und im ultravioletten Licht im Laufe der Zeit, gemessen mit verschiedenen Instrumenten. Das zweite Bild zeigt die „bolometrische Helligkeit“, also die Gesamtleuchtkraft des Ereignisses im Laufe der Zeit.

Das sieht natürlich deutlich weniger spektakulär aus. Aber so ist es eben in der Wissenschaft und ganz besonders in der Astronomie. Wir können nur zum Himmel schauen und das Licht dort untersuchen. Alles andere müssen wir aus diesen Rohdaten ableiten. Sofern wir an die Daten komme. Und das ist gerade in diesem speziellen Fall sehr wichtig. Was die ForscherInnen beobachtet war ein sogenannter „Transient“. So nennt man ganz allgemein alles am Himmel, was kurz dauert. Eine Galaxie ist ein paar Milliarden Jahre lang am Himmel; ein Stern oder Planet ebenso. Aber wenn in so einer Galaxie plötzlich ein Stern sein Leben beendet und in Form einer Supernova explodiert, dass ist das ein Ereignis, das nur ein paar Monate oder Jahre lang sichtbar ist. Das ist ein „Transient“, kurz für „Transient astronomical event“, also „vorübergehendes astronomisches Ereignis“ und eben weil es vorübergehend ist, muss man im richtigen Moment hinschauen. Deswegen gibt es jede Menge Beobachtungsprogramme die nichts anderes tun als den Himmel nach genau solchen Transients absuchen und probieren, die Dinger möglichst früh zu entdecken. Zum Beispiel die Zwicky Transient Facility in Kalifornien. Und genau die hat am 19.09.2019 Alarm geschlagen und mit der Bezeichung AT2019qiz . Diverse andere Programme haben das Ereignis ebenfalls entdeckt und ihm ihre eigenen Katalognummern verpasst (ATLAS19vfr, Gaia19eks oder PS19gdd falls es jemand genau wissen will).

Das alles läuft automatisch, aber danach kommen die echten Astronominnen und Astronomen ins Spiel. Je schneller man auf den automatischen Alarm reagieren kann und je mehr große Teleskope man auf das Ding richten kann, desto mehr Daten erhält man. Zuerst ist es wichtig herauszufinden, um was es sich eigentlich handelt. Die Helligkeit einer Supernovaexplosion zum Beispiel folgt ganz bestimmten Gesetzen anhand derer man so ein Ereignis identifizieren kann. In diesem Fall zeigte die erste Klassifikation dass es sich vermutlich um ein „Tidal Disruption Event“ handelt. Also das, was in den Medien gerne als „Spaghettifizierung“ oder „Spaghettisierung“ bezeichnet wird.

Kurzer Einschub zu kosmischen Spaghetti

Ich bin kein Freund der Bezeichnung „Spaghettisierung“. Auch wenn es vom großen Stephen Hawking selbst erfunden wurde, schafft es meiner Meinung nach falsche Vorstellungen von dem, was wirklich passiert. Es geht um das, was in der Nähe eines schwarzen Lochs abläuft. Ein schwarzes Loch ist winzig, hat aber trotzdem eine enorme Masse. Das bedeutet, dass man sich der Masse sehr stark annähern kann. So sehr, dass auf einmal die Unterschiede in der Gravitationskraft relevant werden. Denn die Stärke der Gravitation hängt ja vom Abstand ab. Ein Beispiel: Unser Kopf ist – normalerweise – weiter weg vom Zentrum der Erde als unsere Füße. Unser Kopf spürt daher auch eine geringfügig kleinere Gravitationskraft als unsere Füße. Was aber absolut keine Rolle spielt, weil diese geringe Distanz angesichts der Größe der Erde völlig irrelevant ist. Bei einem schwarzen Loch ist das anders: Kommt man dem nahe genug, dann können die Unterschiede auch auf so kleinen Skalen gewaltig werden. So sehr, dass es an unseren Füßen deutlich stärker zieht als an unserem Kopf. Würden wir uns einem schwarzen Loch zu weit annähern, würden wir also in die Länge gezogen; wir würden „spaghettifiziert“. Darüber, was mit Menschen in der Nähe eines schwarzen Lochs passiert wird gerade in der Populärwissenschaft viel diskutiert. Und die „Spaghettisierung“ taucht immer wieder auf. Nur das wir Menschen eben nicht aus Nudelteig bestehen: Wenn man zu stark an unseren Füßen, Armen oder unserem Kopf zieht, dann reißen die Dinger einfach ab! Wir werden nicht spaghettifiziert, wir werden einfach in Stücke gerissen! Also wenn man schon eine Küchenmetapher haben will, dann mehr in Richtung Pulled Pork anstatt Nudeln.

Verhüllter Sternentod

Sterne in der Nähe eines schwarzen Lochs können durchaus ein „normales“ Leben führen. Jede Menge Sterne ziehen ihre Runden um schwarze Löcher ohne das ihnen groß was passiert (sie helfen höchstens ab und zu dabei einen Nobelpreis zu gewinnen). Kommen sie aber zu nahe, dann spüren sie auch die Gezeitenkraft (also die unterschiedliche Stärke der Gravitationskraft in unterschiedlichen Distanzen) extrem stark. Wird die Gezeitenkraft zu groß, wird der Stern auseinander gerissen. Genau das ist ein „Tidal Disruption Event“. Der Stern wird gedehnt, zerissen und lange Fäden aus Gas strömen in das schwarze Loch. Aber nicht einfach so: Das Material heizt sich dabei stark auf, leuchtet hell und jede Menge Energie wird frei. Diese Energie kann Trümmer des Sterns auch nach außen, also vom schwarzen Loch weg treiben. Es hüllt sich also quasi in einen Vorhang aus Gas und Staub der die Sicht auf das verstellt, was dort passiert.

In diesem Fall konnten die ForscherInnen das Ereignis aber früh genug entdecken. Sie konnten quasi „live“ dabei zusehen, wie sich der Vorhang aufbaut und das Licht des Tidal Disruption Event verhüllt. Das war sehr praktisch; nicht nur weil es das erste Mal war, dass man so etwas beobachtet. Sondern auch, weil man nun eine Referenz für solche Ereignisse hat. Man konnte den Ursprung des Materials beobachten, das später die Hülle bildete und fast den ganzen Prozess von Anfang bis Ende beobachten. Das wird dabei helfen solche Vorgänge in Zukunft genauer zu verstehen.

Bei AT2019qiz zeigte die genaue Analyse der Lichtkurven (und jede Menge weitere Daten, darunte auch spektroskopische Beobachtungen) dass es sich um einen Stern mit etwa der gleichen Masse wie unsere Sonne gehandelt hat, der hier zerissen wurde. Er verlor fast drei Viertel seiner Masse und die Trümmer, die das schwarze Loch einhüllten wurden von dort mit bis zu 10.000 Kilometer pro Sekunde fort geschleudert. Der 24seitige Fachartikel ist noch voll mit weiteren Details des Ereignisses – aber ich werde es fürs erste gut sein lassen. Eigentlich wollte ich ja nur kurz demonstrieren, dass hinter einer spektakulären Pressemitteilung mit beeindruckenden Bildern nicht nur trockene Daten stehen. Sondern das, was Wissenschaft im Kern ausmacht: Die Transformation von Messwerten in faszinierende Erkenntnisse über das reale Universum!