Lichtecho verrät kosmische Katastrophe

In einer weit entfernen Galaxie hat ein schwarzes Loch einen Riesenstern zerrissen. Das zeigen umfang­reiche Beobach­tungen mit mehreren Observa­torien durch ein inter­nationales Forschungsteam unter DESY-Führung. Die kosmische Katastrophe produzierte nach einigen Monaten ein Lichtecho im Infrarot­bereich. Zudem hat das Neutrino­teleskop IceCube in der Antarktis möglicher­weise ein Teilchen des zerrissenen Sterns aufgefangen.

Die Gezeiten­katastrophe ereignete sich in einer 4,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie, in deren Zentrum sich ein schwarzes Loch mit der 35-millionen­fachen Sonnenmasse befindet. Diesem schwarzen Loch ist ein Riesenstern zu nahe gekommen und durch die Gezeiten­kräfte zerrissen worden. Die Überreste des Sterns formen um das schwarze Loch eine Akkretions­scheibe. Bevor die Sternen­materie im Schwarzen Loch verschwindet, kreist sie immer schneller, heizt sich dabei auf und fängt an zu leuchten.

„Die Gezeiten­katastrophe war möglicher­weise das leucht­stärkste vorüber­gehende kosmische Phänomen, das jemals beobachtet worden ist“, sagt Marek Kowalski vom DESY. Aufgrund der Helligkeit des Ereignisses gehen die Forscher davon aus, dass der zerrissene Stern eine Riesenstern gewesen sein muss, damit sich genug leuchtende Materie auf der Akkretions­scheibe sammeln konnte.

Die intensive Strahlung hat einen Hohlraum in die Staubwolke gebrannt, von der das schwarze Loch umgeben ist. Im Umkreis von etwa einem halben Lichtjahr verdampfte der Staub dabei sofort. Dahinter heizte ihn die Strahlung stark auf, sodass er schließlich hell im Infrarot­bereich zu leuchten begann. Durch geometrische Effekte erreichte dieses Lichtecho erst ein Jahr nach dem Ende des Riesensterns sein Maximum. „Das Lichtecho im Infrarot­bereich ist eine Schlüssel­signatur der Gezeiten­katastrophe“, sagt Simeon Reusch vom DESY. „Damit hat sich die Natur dieses auf­leuch­tenden Objekts verraten.“

Das Phänomen war zuerst mit der Zwicky Transient Facility beobachtet worden, die speziell nach vorüber­gehenden Ereignissen Ausschau hält. Astronomen hatten dann die Himmels­position mit zahlreichen anderen Instrumenten bei verschiedenen Wellenlängen ins Visier genommen, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Beobachtungen mit dem Infrarot­satelliten „WISE“ der US-Raum­fahrt­behörde NASA enthüllten ein Jahr nach dem ursprüng­lichen Ausbruch das Lichtecho.

Am Südpol ging dem Observatorium IceCube zudem ein energie­reiches Neutrino ins Netz, das von dem Ereignis stammen könnte. Damit hätte IceCube möglicher­weise zum zweiten Mal ein Teilchen von einem zerrissenen Stern aufgefangen – ein Erfolg der noch jungen Disziplin der Neutrino-Astronomie. „Neutrinos liefern uns Einblicke in kosmische Objekte, die mit Licht und anderer elektro­magnetischer Strahlung nicht möglich sind“, erläutert Kowalski. „Mit elektro­magnetischer Strahlung schauen wir nur auf die Oberfläche eines Objekts. Neutrinos erreichen uns jedoch ungehindert aus dem Inneren.“

Insbesondere die Kombination aus Beobachtungen im Bereich der elektro­magnetischen Strahlung mit Neutrinos ermöglichen neue Erkenntnisse. So zeigen die Messungen im Bereich der Radiowellen, dass es sich bei dem Phänomen um einen kosmischen Teilchen­beschleuniger handelt. Die davon unabhängige Messung des Neutrinos untermauert diese Beobachtung und deutet auf einen Beschleuniger von Atomkernen, nicht der sehr viel leichteren Elektronen. Genaueren Aufschluss sollen weitere Analysen der Messdaten von IceCube bringen.

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Reusch et al.: Candidate Tidal Disruption Event AT2019fdr Coincident with a High-Energy Neutrino, Phys. Rev. Lett. 128, 221101 (2022); 10.1103/PhysRevLett.128.221101
• Astroteilchenphysik, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg
• Zwicky Transient Facility, California Institute of Technology, Pasadena, USA