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„Was passiert, wenn man einen Stern auf ein Schwarzes Loch wirft? » Diese Frage können wir hier auf der Erde nicht physisch beantworten.
Glücklicherweise können Schwarze Löcher und Sterne im Labor nicht zerkleinert werden! Wissenschaftler können jedoch fortschrittliche Supercomputer-Modelle verwenden, um zu simulieren, dass ein Schwarzes Loch in einem sogenannten Tidal Disruption Event oder „TDE“ einen Stern auseinanderreißt und verschlingt. Auf diese Weise fand ein Forscherteam unter der Leitung von Danel Price von der Monash University heraus, dass die Antwort auf unsere ursprüngliche Frage lautet: „Die Lage wird immer schlimmer.“
„Schwarze Löcher sind nicht in der Lage, viel Materie zu absorbieren“, sagte Price gegenüber Space.com. „So wie ich, geht nach einem schlechten Curry ein großer Teil der Materie nicht ins Schwarze Loch hinunter und kehrt in Form heftiger Ströme zurück.“ Wir beobachten dieses Phänomen bei Gezeitenstörungsereignissen: starke Strömungen, Materialien bei relativ niedriger und konstanter Temperatur und große Emissionsentfernungen. »
Als ob das nicht genug wäre, um einem den Magen umzudrehen, erwachen schwarze Löcher wie ein Missgeschick am Samstagabend mit Alkohol und einem fragwürdigen Bhuna umgeben von den erbrochenen Überresten ihrer Mahlzeiten in einer Struktur namens „Eddington-Umschlag“.
„Wir haben herausgefunden, dass das Schwarze Loch während der Störung durch Materie verstopft wird. Es ist neu“, sagte Price. „Es ist eine alte Idee, dass das passieren sollte, aber wir konnten es zeigen.“ Wie Dies geschieht durch Simulation der Gasdynamik.
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TDEs treten auf, wenn Sterne den supermassereichen Schwarzen Löchern, die im Herzen aller großen Galaxien lauern, zu nahe kommen.
„Sterne kollidieren auf ihrem Weg durch die Galaxie miteinander, was ihre Umlaufbahnen leicht stört. Hin und wieder, alle 100.000 Jahre, wird ein Stern so stark getroffen, dass er sich mit dem Schwarzen Loch verbindet und darauf zustürzt“, sagt Price. „Die Quintessenz ist, dass Sterne nur sehr wenig getroffen werden und daher wie Kometen, die auf die Sonne zustürzen, dazu neigen, parabolische Umlaufbahnen einzunehmen. Dies sind schwer zu simulierende Phänomene. »
Sobald der Stern dem supermassiven Schwarzen Loch zu nahe kommt, erzeugt der immense Gravitationseinfluss dieses kosmischen Titanen starke Gezeitenkräfte auf den Stern, die dazu führen, dass er horizontal komprimiert und vertikal gedehnt wird.
Dieser Prozess, der „Spaghettifaktion“ genannt wird (wir wissen, dass wir hier die Küche gewechselt haben, aber bleiben wir einfach dabei), verwandelt den Stern in leuchtende Nudeln aus Sternmaterie oder „Plasma“. Diese wickeln sich um das zerstörerische Schwarze Loch wie Spaghetti um eine Gabel. Aus dieser wirbelnden, abgeflachten Wolke aus überhitztem Plasma, die „Akkretionsscheibe“ genannt wird, wird der supermassive Stern nach und nach mit Energie versorgt.
Der TDE-Prozess und die wirbelnde Scheibe aus Sterntrümmern um das Schwarze Loch erzeugen starke elektromagnetische Emissionen, die es Astronomen ermöglichen, diese Ereignisse zu untersuchen.
Allerdings gibt es immer noch Rätsel rund um TDEs, die gelöst werden müssen.
Um in die Feinheiten von TDEs einzutauchen, führten Price und sein Team die erste selbstkonsistente Simulation eines Sterns durch, der von einem supermassiven Schwarzen Loch zerstört wurde, um die Entwicklung der resultierenden Trümmer über ein ganzes Jahr zu verfolgen, indem sie mithilfe fortschrittlicher Hydrodynamik-Codes geglättete Partikel namens „Phantom“ verwendeten. .
„Wir haben im Grunde einen Stern auf ein schwarzes Loch im Computer geworfen“, erklärte Price. „Konkret haben wir viel Zeit damit verbracht, die Auswirkungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die die Raumzeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs beschreibt, richtig umzusetzen.
„Unsere Simulationen bieten eine neue Perspektive auf die letzten Momente von Sternen in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher. »
Die Phantom-Simulation ergab, dass während einer TDE erzeugte Sterntrümmer eine asymmetrische Blase um das Schwarze Loch bilden. Dies führt zur Wiederaufbereitung von Energie und erzeugt Lichtemissionen bei niedrigeren Temperaturen und geringerer Leuchtkraft.
Das Team fand außerdem heraus, dass sich dieses Gas mit einer Geschwindigkeit von 22 bis 45 Millionen Meilen (10.000 bis 20.000 Kilometer pro Sekunde) um das supermassereiche Schwarze Loch bewegt, was etwa dem 60.000-fachen der Schallgeschwindigkeit im Meer oder etwa 7 % der Geschwindigkeit entspricht aus Licht.
„Die Studie hilft, mehrere rätselhafte Eigenschaften der beobachteten TDEs zu erklären“, sagte Price. „Eine gute Analogie ist die des menschlichen Körpers: Wenn wir zu Mittag essen, ändert sich unsere Körpertemperatur nicht wesentlich; Denn wir wandeln die Energie aus dem Mittagessen wieder in Infrarotwellenlängen um.
„Bei einem TDE ist es ähnlich: Normalerweise sehen wir nicht, wie der Magen des Schwarzen Lochs Gas aufnimmt, weil er durch Material verstopft ist, das bei optischen Wellenlängen wieder emittiert. Unsere Simulationen zeigen, wie es zu dieser Erstickung kommt. »
Die Energieaufbereitung und Löschung von Schwarzen Löchern in der Simulation erklärt eines der größten Beobachtungsrätsel über TDEs und erklärt, warum sie hauptsächlich in optischen oder sichtbaren Wellenlängen des Lichts emittieren und nicht in Röntgenstrahlen, fügte Price hinzu.
Diese Ergebnisse erklären auch viele andere Geheimnisse von TDE, einschließlich der Frage, warum das Zerreißen von Sternen bei schwächerem Licht als erwartet beobachtet wird und warum sich diese Materie scheinbar mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit auf uns zubewegt.
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Was die Zukunft angeht, gaben die Simulationen des Teams reichlich Anlass zum Nachdenken.
„Hier gibt es viel zu entdecken. Sobald das Vera-Rubin-Observatorium in Betrieb ist, werden wir in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich Tausende von vorübergehenden Phänomenen beobachten“, schließt Price. „Wir müssen die gleiche Art der Simulation für alle Arten von Sternen und Schwarzen Löchern unterschiedlicher Masse ausprobieren, damit sie auf verschiedene beobachtete Ereignisse anwendbar ist. »
Die Forschungsergebnisse des Teams werden im veröffentlicht Astrophysikalische Tagebuchbriefe.