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Könnte das Schwarze Loch die Strahlung verbrauchen? Wenn ja, könnte die vom Schwarzen Loch absorbierte Pulsarstrahlung es im Laufe von Milliarden oder Billionen von Jahren stetig massiv anwachsen lassen?
Da der Pulsar Strahlung aussendet, ohne zu zerfallen, das Schwarze Loch nicht über Hawking-Strahlung zerfällt und auch die Bahnen beider Objekte nicht zerfallen und in einer bestimmten Dynamik, würde ich sagen, ja, seeeehr langsam.
Die Sache ist, dass die Strahlung des Pulsars von Partikeln stammt, die darin fallen (Staub usw.) und (grob gesagt) als energiereiche Strahlung in der Nähe der Pole aufgrund des Magnetfelds "umorientiert und abgeschossen" werden. Das Schwarze Loch würde noch mehr Teilchen anziehen als der Pulsar. Wenn man also beide Objekte in einem Raum mit gleicher Teilchendichte betrachtet, sollte das Schwarze Loch selbst mehr Materie/Energie ansaugen als Materie/Energie aus dem Pulsarstrahl.
Berücksichtigen Sie auch orbitale Implikationen. Ein Schwarzes Loch (es sei denn, im Zentrum von Galaxien supermassiv) und Pulsare haben äquivalente Massen. Nicht gleich, aber nicht um Größenordnungen unterschiedlich, wenn das Schwarze Loch ein stellarer Überrest wie der Pulsar ist. Das bedeutet, dass die Umlaufbahn wahrscheinlich eher wie ein Doppelsternsystem sein wird, wobei sich das Schwarze Loch auch um den Massenmittelpunkt bewegt (man kann es sich als Pluto-Charon-Bahnsystem vorstellen). Jetzt. Überlegen Sie, wie Sterne entstehen (aus einer Staubwolke beginnt sie zu kollabieren, gewinnt an Drehimpuls usw.). Es besteht die Möglichkeit, dass die Bahnen und die Spins beider Objekte in einer sehr ähnlichen Ebene liegen. Denken Sie, dass die Strahlen des Pulsars hauptsächlich von den Polen abgeschossen werden (allerdings mit einer gewissen Neigung). Ich denke, es ist für einen natürlich gebildeten Stern fast unmöglich, dass einer zu einem Pulsar wird, der andere zu einem Schwarzen Loch, und sie kreisen auch so, dass die Strahlen des Pulsars das Schwarze Loch füttern. Die Strahlen würden einfach aus dem System austreten und ~90º relativ zur Linie des Pulsar-Schwarzen Lochs bilden.
Zuletzt über die "Fütterung". Betrachten wir, dass all dies möglich ist, nur sehr unwahrscheinlich. Wir haben ein Szenario, in dem die Umlaufbahn eines Pulsars ~90º im Vergleich zu seinem Spin beträgt, wie bei Sonne-Uranus. Dann füttert es einen Bruchteil der Zeit das Schwarze Loch (zweimal im "Jahr"). Schwarze Löcher fressen manchmal Sterne. Die Größe des Schwarzen Lochs wächst, wenn es frisst, und ist eine der Theorien über die Masse supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum der meisten Galaxien (nur das Essen … die andere ist die direkte Bildung durch einen plötzlichen Kollaps einer supermassiven Staubwolke sogar cloud Vermeidung einer Sternentstehung). Ich versuche darauf hinzuweisen, dass diese Fütterung über einen Pulsarstrahl im Vergleich zur direkten Fütterung umgebender Materie, wie dies bei den supermassiven Schwarzen Löchern der Fall ist, sehr langsam wäre.
Ich würde zum Schwarzen Loch sagen: Sir, iss den Pulsar :)
Und vielleicht würde es wahr: Wenn man sehr lange Zeiträume betrachtet, zerfallen Bahnen. Das Schwarze Loch würde vielleicht mit dem Pulsar kollidieren/absorbieren (wie kürzlich durch Gravitationswellen entdeckt). Schließlich müssen wir je nach Zeitraum, über den wir sprechen, die Verdampfung des Schwarzen Lochs durch das Hawking-Verhältnis berücksichtigen (es würde es kleiner machen). Auf der anderen Seite betrachtete ich Pulsare, die von Materie angetrieben werden, die darin umkreist / fällt. Dort könnten andere Typen, also ein durch Rotation angetriebener, nach Billionen von Jahren vielleicht in einen fast Neutronenstern zerfallen. Ich kenne die Zahlen nicht, also sind diese Effekte vielleicht fast null, ich bin mir nicht sicher.
PD. Dies ist meine erste Antwort in StackExchange und ich bin kein englischer Muttersprachler, Feedback geschätzt ;)
Kann Licht ein Schwarzes Loch umkreisen?
Da Schwarze Löcher die stärksten Gravitationspunkte im gesamten Universum sind, können sie das Licht so stark verzerren, dass es tatsächlich in eine Umlaufbahn gelangt? Und wie würde es aussehen, wenn Sie bei dieser Reise um ein Schwarzes Loch überleben und dem Licht folgen könnten?
Ich hatte diese großartige Frage von einem Zuschauer. Kann Licht ein Schwarzes Loch umkreisen?
Betrachten Sie dieses Gedankenexperiment, das zuerst von Newton erklärt wurde. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kanone, die eine Kanonenkugel weit weg schießen könnte. Der Ball würde nach unten fliegen und dann in den Schmutz krachen. Wenn Sie die Kanonenkugel härter schießen, fliegt sie weiter, bevor sie in den Boden knallt. Und wenn Sie die Kanonenkugel hart genug abschießen und den Luftwiderstand ignorieren könnten, würde sie den ganzen Weg um die Erde reisen. Die Kanonenkugel wäre im Orbit. Es fällt in Richtung Erde, aber die Krümmung der Erde bedeutet, dass es ständig knapp über den Horizont fällt.
Das funktioniert nicht nur mit Kanonenkugeln, Astronauten und Satelliten, sondern auch mit Licht. Dies war eine der großen Entdeckungen Einsteins über die Natur der Schwerkraft. Die Schwerkraft ist keine anziehende Kraft zwischen Massen, sondern eine Verzerrung der Raumzeit. Wenn Licht in den Gravitationsschacht eines massiven Objekts fällt, biegt es sich, um der Krümmung der Raumzeit zu folgen.
Entfernte Galaxien, die Sonne und sogar unsere eigene Erde werden dazu führen, dass das Licht durch ihre Verzerrung der Raumzeit von seiner Bahn abgelenkt wird. Aber es ist die unglaubliche Schwerkraft eines Schwarzen Lochs, die die Raumzeit in Knoten binden kann. Und ja, es gibt eine Region um ein Schwarzes Loch, in der sogar Photonen gezwungen sind, in einer Umlaufbahn zu reisen. Tatsächlich wird diese Region als „Photonenkugel“ bezeichnet.
Von weit genug entfernt verhalten sich Schwarze Löcher wie jedes massereiche Objekt. Wenn Sie die Sonne durch ein Schwarzes Loch derselben Masse ersetzen würden, würde unsere Erde auf genau die gleiche Weise weiterkreisen. Aber wenn Sie dem Schwarzen Loch immer näher kommen, muss das umlaufende Objekt immer schneller werden, während es um das massive Objekt herumwirbelt. Die Photonenkugel ist die letzte stabile Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch. Und nur Licht, das sich mit, nun ja, Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann in dieser Höhe tatsächlich existieren.
Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs. Bildnachweis: ESO/L. Calçada
Stellen Sie sich vor, Sie könnten direkt in der Photonensphäre eines Schwarzen Lochs existieren. Was Sie nicht können, also versuchen Sie es nicht. Sie könnten Ihre Taschenlampe in eine Richtung richten und das Licht hinter sich sehen, nachdem es das Schwarze Loch vollständig umkreist hat. Sie würden auch in die Strahlung aller in dieser Region eingefangenen Photonen gebadet. Das sichtbare Licht mag schön sein, aber die Röntgen- und Gammastrahlung würde Sie wie einen Ofen kochen.
Unterhalb der Photonenkugel würden Sie nur Dunkelheit sehen. Da unten ist der Ereignishorizont, der Punkt des Lichts ohne Wiederkehr. Und oben sehen Sie das Universum, das durch die massive Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt wird. Sie würden den gesamten Himmel in Ihrem Blickfeld sehen, sogar Sterne, die normalerweise vom Schwarzen Loch verdeckt würden, wenn sie sich um seine Schwerkraft wickeln. Es wäre ein großartiger und tödlicher Ort, aber es wäre sicher besser, unter den Ereignishorizont zu fallen.
Wenn Sie in die Photonensphäre hinabsteigen könnten, welche Art von Experimenten würden Sie gerne machen? Sag es uns in den Kommentaren unten.
Neutronensterne, die in einer „erbittert engen“ Umlaufbahn eingeschlossen sind, könnten die größten Geheimnisse des Universums erklären
Wissenschaftler glauben, dass diese Sterne in etwa einer halben Milliarde Jahren kollidieren werden.
Veröffentlicht: 09. Juli 2020 um 10:31
Astronomen haben zwei kollabierte Sterne unterschiedlicher Masse beobachtet, die sich in einer „sehr engen“ Umlaufbahn befinden, was ihrer Meinung nach dazu beitragen könnte, einige der größten Geheimnisse des Universums zu enthüllen.
Diese extrem dichten astronomischen Objekte, bekannt als Neutronensterne, sind stellare Überreste einer Supernova, die das Hunderttausendfache der Erdmasse in einen Raum von der Größe einer Stadt packen.
Die Wissenschaftler sagten, es sei ungewöhnlich, ein Doppelsternsystem mit zwei Neutronensternen mit unterschiedlichen Massen zu sehen. Sie glauben, dass diese Sterne in etwa einer halben Milliarde Jahren schließlich kollidieren und riesige Energiemengen in Form von Gravitationswellen und Licht freisetzen werden.
Lesen Sie mehr über Sterne:
Einer dieser Sterne ist ein Pulsar, bekannt als PSR J1913+1102, der sich dreht und von seinen Polen elektromagnetische Strahlung aussendet.
Der erste Blick auf die Kollision zweier Neutronensterne wurde 2017 beobachtet und öffnete die Tür zu einer neuen Ära der Astronomie.
Das spektakuläre Ereignis, bekannt als GW170817, ereignete sich 130 Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernt, aber die enorme Menge an Materie, die bei der Verschmelzung ausgestoßen wurde, und ihre Helligkeit blieben ein „unerwartetes Rätsel“.
Der leitende Forscher Dr. Robert Ferdman von der School of Physics der University of East Anglia sagte: „Die meisten Theorien über dieses Ereignis gingen davon aus, dass Neutronensterne, die in Doppelsternsystemen eingeschlossen sind, eine sehr ähnliche Masse haben. Unsere neue Entdeckung ändert diese Annahmen.
„Wir haben ein Doppelsternsystem entdeckt, das zwei Neutronensterne mit sehr unterschiedlichen Massen enthält. Diese Sterne werden in etwa 470 Millionen Jahren kollidieren und verschmelzen, was eine lange Zeit zu sein scheint, aber nur ein kleiner Bruchteil des Alters des Universums ist.“
Dr. Ferdman sagte, dass, da einer der Sterne „deutlich größer“ als der andere ist, sein Gravitationseinfluss die Form seines Begleiters verzerrt, „große Mengen an Materie entfernt, kurz bevor sie tatsächlich verschmelzen, und sie möglicherweise vollständig stören“.
Dies, fügte er hinzu, werde zu einer weitaus stärkeren Explosion führen als eine Kollision von Neutronensternen gleicher Masse.
Laut Dr. Ferdman wurden ihre Ergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Natur, hebt auch hervor, dass „es noch viel mehr dieser Systeme gibt – die mehr als eine von zehn verschmelzenden Doppelneutronenstern-Doppelsternen ausmachen“.
Lesen Sie mehr über Astronomie:
Die Forscher sagen, dass Neutronenstern-Verschmelzungen dazu beitragen könnten, einige der größten Geheimnisse der Astrophysik zu lüften, einschließlich einer genaueren Bestimmung der Expansionsrate des Universums, die als Hubble-Konstante bekannt ist.
Der Co-Autor der Studie, Dr. Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, fügte hinzu: „Eine solche Störung würde es Astrophysikern ermöglichen, wichtige neue Hinweise auf die exotische Materie zu gewinnen, die das Innere dieser extremen, dichten Objekte ausmacht.“ .
„Diese Angelegenheit ist immer noch ein großes Rätsel – sie ist so dicht, dass Wissenschaftler immer noch nicht wissen, woraus sie eigentlich besteht. Diese Dichten gehen weit über das hinaus, was wir in erdbasierten Labors reproduzieren können.“
Könnten Sie auf einem Neutronenstern laufen?
Gefragt von: Elliot Webb, Ashford
Nein. Ein Neutronenstern hat ein so starkes Gravitationsfeld und eine so hohe Temperatur, dass Sie eine enge Begegnung jeglicher Art nicht überleben könnten. Zunächst einmal wäre es problematisch, nur auf die Oberfläche des Neutronensterns zu gelangen. Seine Anziehungskraft würde Sie so stark beschleunigen, dass Sie mit einem guten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit darauf prallen würden. Noch bevor Sie ankamen, hätte der Unterschied in der Anziehungskraft zwischen Ihrem Kopf und Ihren Füßen Ihre einzelnen Atome bereits auseinandergerissen.
Dort jedoch würden Ihre Atomkerne und ihre freien Elektronen mit ausreichender Energie auf die Oberfläche auftreffen, um thermonukleare Reaktionen in der Nähe der superdichten Oberfläche auszulösen. Ihr würdet zu einem Hauch von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen werden, wenn sich eure leichten Elemente in eine Wolke aus schweren Elementen, Neutronen und ultrarelativistischen Elektronen verwandeln.
Selbst wenn Sie auf magische Weise auf den Neutronenstern transportiert würden und daher diesen energetischen Aufprall vermeiden würden, würden die Millionen-Grad-Temperaturen an der Oberfläche Sie sofort verdampfen (und ionisieren). Die intensive Gravitation würde dann das, was von dir übrig war, platt machen, während du in die superdichte Kruste des Neutronensterns verschmolz. Unter diesen Umständen wäre ein gemütlicher Spaziergang äußerst schwierig!
Pulsierende Sterne könnten die Raumzeit um Schwarze Löcher untersuchen
Wenn ein pulsierender Stern in der Nähe des Zentrums unserer Milchstraße existiert, wo vermutlich ein riesiges Schwarzes Loch lauert, könnte dies Licht auf die Funktionsweise der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein werfen, sagen Wissenschaftler. Die Lichtblitze eines solchen Sterns, Pulsar genannt, könnten verwendet werden, um zu bestimmen, wie sehr das schwarze Riesenloch die Raumzeit um ihn herum verzerrt.
Im Gegensatz zu einem normalen Stern senden Pulsare stetige Lichtimpulse aus, mit denen ihre Bewegung präzise verfolgt werden kann. Ein internationales Astronomenteam hat vorgeschlagen, dass eine solche Präzision ein besseres Verständnis der Raumzeit um ein Schwarzes Loch herum ermöglichen könnte.
"Wir können es tausendmal besser machen", sagte der Astronom Jim Cordes von der Cornell University in New York gegenüber SPACE.com.
Die Umlaufbahn verfolgen
In der Allgemeinen Relativitätstheorie kombinierte Einstein Raum und Zeit in einer einzigen mathematischen Einheit, die als Raumzeit bekannt ist und von der Schwerkraft beeinflusst wird. Wenn man die ebene Fläche der Raumzeit mit einer Matratze vergleichen könnte, würde ein massiver Körper wie ein Schwarzes Loch sie ähnlich einer Person, die in der Mitte des Bettes sitzt, krümmen.
Diese Vertiefungen beeinflussen die Umlaufbahnen der sie umgebenden Körper. Anstatt sich in stabilen Ellipsen zu bewegen, verschieben sich umlaufende Objekte leicht oder präzedieren mit jedem Eintauchen in die vom Schwarzen Loch in die Raumzeit gehauene Quelle. [Galerie: Schwarze Löcher des Universums]
"Anstatt die gleiche Position im Raum beizubehalten, dreht sich die Ellipse langsam herum", sagte Cordes.
Astronomen könnten diese Bewegung in einem Stern erkennen, indem sie messen, wie die von ihm erzeugten Lichtwellen durch seine Bewegung verkürzt oder verlängert werden, ein Vorgang, der als Doppler-Verschiebung bekannt ist. Während die durch Präzession verursachte Dopplerverschiebung in jedem Stern gemessen werden könnte, sind Pulsare bessere Kandidaten, um diese Bewegung zu messen, sagten die Forscher.
Pulsare, die aus feurigen Supernova-Explosionen hervorgegangen sind, packen die Masse der Sonne in das Gebiet einer großen Stadt. Sie drehen sich schnell und emittieren einen stetigen Leuchtturm-Lichtstrahl, der wie ein Impuls aussieht, der sich ein- und ausschaltet, wenn sich der Strahl auf einen Beobachter zu und von ihm weg dreht.
Indem sie messen, wie sich die Abstände zwischen den Pulsen im Laufe der Zeit ändern, können Astronomen untersuchen, wie der Pulsar von der Raumzeit beeinflusst wurde, die er durchpflügt.
"Wir können die Ankunftszeit eines Impulses &ndash im Fall eines im galaktischen Zentrum &ndash auf etwa eine Millisekunde messen", sagte Cordes. "Das gibt uns eine viel genauere Messung als nur Doppler-Shift-Messungen."
Während sich die Umlaufbahn des Pulsars entwickelt, können Wissenschaftler seine neue Position verwenden, um die Schwerkraft um das Schwarze Loch und die Masse des Riesen selbst zu berechnen.
„Signale werden durch die Krümmung der Raumzeit verzögert“, sagten die Forscher Kuo Liu, Norbert Wex und Michael Kramer, alle vom Max-Planck-Institut in Deutschland, SPACE.com per E-Mail. "Je mehr Verzögerung, desto näher muss das Signal auf seinem Weg zur Erde zum Schwarzen Loch gelangen."
Gleichzeitig zerrt das Schwarze Loch an der Raumzeit um es herum in einem Prozess, der als Lense-Thiring-Effekt bekannt ist.
Cordes vergleicht diesen Effekt mit dem Eintauchen eines Basketballs in eine Wanne mit Wasser. Wird der Ball gedreht, zieht er das ihm am nächsten liegende Wasser mit. Weiter entferntes Wasser hat weniger Wirkung.
Die Raumzeit fühlt den gleichen Zug um einen Pulsar.
Die Wissenschaftler skizzierten ihren Plan, die Auswirkungen von Pulsaren auf die Raumzeit zu untersuchen, in einem Artikel, der in der März-Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht wurde.
Auf der Suche nach einem Stern
Astronomen haben noch keinen Pulsar in der Nähe von Sagittarius A* gefunden, der Name des Radioobjekts, von dem angenommen wird, dass es das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße darstellt. Aber da Pulsare ein natürliches Ergebnis in der Entwicklung massereicher Sterne sind, drückte Cordes seine Zuversicht aus, dass es viele gibt. Das galaktische Zentrum ist jedoch mit Gas und Staub gefüllt, die Radiowellen streuen und die winzigen Sterne vor unserem Blick verbergen.
"Der ideale Pulsar wäre einer, der sich ein paar hundert Mal pro Sekunde dreht", sagte Cordes. "Wir würden das einen Millisekundenpulsar nennen, weil seine Spinperiode einige Millisekunden betragen würde."
Die häufigeren Ticks würden eine genauere Messung ermöglichen, wie der Pulsar von der Krümmung der Raumzeit beeinflusst wird. Es ist bekannt, dass Hunderte dieser speziellen Neutronensterne in der gesamten Galaxie existieren.
Leider blockieren Gas und Staub Blitze von einem Millisekundenpulsar besser als von einem langsamer drehenden Stern.
Pulsare, die einmal pro Sekunde blinken, wären laut Cordes der zweitbeste Kandidat.
"Sie werden von diesem Streueffekt weniger beeinflusst", sagte er.
Um nützlich zu sein, muss sich ein solcher Pulsar in der Nähe des Schwarzen Lochs befinden, mit einer Periode von nur wenigen Monaten oder weniger. Es sollte auch vom Äquator des Schwarzen Lochs geneigt sein.
Solche Pulsare könnten mit heutigen Teleskopen sichtbar werden. Das Green Bank Telescope in West Virginia und das Extended Very Large Array sollten beide in der Lage sein, eines im Zentrum der Galaxie zu entdecken. Auch das MeerKAT, ein derzeit in Südafrika im Bau befindliches Array-Teleskop, soll dabei helfen, potenzielle Kandidaten aufzudecken. [Video: 9 Pulsare durch neue Technik enthüllt]
"Wir konnten dies vor 10 Jahren wirklich nicht tun, weil wir nicht empfindlich genug Radioteleskope hatten, aber jetzt tun wir es", sagte Cordes.
Zukünftige Teleskope wie das Square Kilometre Array, das den Himmel von der südlichen Hemisphäre aus untersuchen wird &ndash eine Perspektive, die eine bessere Sicht auf das Zentrum der Galaxie ermöglicht &mdash wird die Suche in einem weiteren Jahrzehnt noch einfacher machen, mit dem Potenzial, dies zu enthüllen Pulsare im Zentrum der Galaxie.
Das Team ist zuversichtlich, dass es nur eine Frage der Zeit ist.
"Wir haben noch nie einen Pulsar gemessen, der ein Schwarzes Loch umkreist, also ist dies Neuland", sagte Cordes. "Es könnte sich sehr lohnen, wenn wir die richtigen Pulsare finden."
Könnte ein Pulsar im Orbit um ein Schwarzes Loch das Schwarze Loch mit seiner Strahlung füttern? - Astronomie
DIE WAHRHEIT UND LÜGEN ÜBER SCHWARZE LÖCHER
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Schwarzes Loch verschlingt einen Neutronenstern (NASA/D. Beere)
Schwarze Löcher haben einen schlechten Ruf. Schließlich klingt etwas, das Sie komplett verschlucken könnte, ziemlich beängstigend. Sie sind unsichtbar, also ist vielleicht einer gleich um die Ecke und wir wissen es nicht! Sind sie nicht auch riesige Staubsauger in der Lage, alles zu zerstören, was in ihre Nähe kommt? Wenn das Schwarze Loch anfängt, an etwas zu ziehen, ist das nicht nur eine Einbahnstraße ins Vergessen? Nun, nicht alle diese Dinge sind genau richtig.
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Schwarzes Loch Animation (NASA/A. Hobart)
Zunächst einmal können wir in ein Schwarzes Loch nicht hineinsehen, denn alles, was über den Rand hinausgeht, ist für immer verschwunden. Daher kommt zum Teil der Name. Aber es stimmt oft, dass nur ein kleiner Bruchteil des Materials in der Nähe eines Schwarzen Lochs hineinfällt, während das meiste davon für immer kreist. Das Material, das in die Nähe des Schwarzen Lochs fällt, wird überhitzt, und wir können dies in Röntgenstrahlen mit Chandra sehen.
Lassen Sie uns eine hypothetische Situation verwenden, um über die Auswirkungen in der Nähe eines Schwarzen Lochs nachzudenken. Angenommen, unsere Sonne wurde über Nacht durch ein Schwarzes Loch ersetzt. Die Wahrheit ist: Die Erde würde sich nicht bewegen. Das liegt daran, dass unsere Umlaufbahn nur durch die Masse der Erde und der Sonne und deren Entfernung bestimmt wird. Solange das Schwarze Loch noch die gleiche Masse wie die Sonne hätte, würden wir auf derselben Umlaufbahn bleiben. Dies zeigt, dass Schwarze Löcher nicht immer alles aufsaugen. Wenn sie es täten, wäre dann nicht das gesamte Universum inzwischen in ein großes Schwarzes Loch verdaut?
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Animation von Star Ripped Apart (ESA)
Denken Sie daran, dass Wasser in einen Abfluss fließt. Wasser fließt nie direkt in den Abfluss. Stattdessen bildet es immer einen Wirbel oder Strudel, und der Grund dafür ist, dass es immer etwas Drall hat. Das gleiche gilt für Gas und Staub, die in ein Schwarzes Loch einströmen. Wenn die Materie ihren Spin nicht verlieren kann, wird sie einfach als Scheibe um das Schwarze Loch in die Umlaufbahn gehen. Es heißt Akkretionsscheibe.
Innerhalb der Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher stoßen sich die Atome und Moleküle mit zunehmender Heftigkeit aneinander, während sie in einem spiralförmigen Mosh-Pit-Todestanz aneinander reiben, während sie auf das Loch zugezogen werden. In gewisser Weise kämpfen diese Teilchen also um ihr kosmisches Leben. Und einige von ihnen werden gewinnen.
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Schwarzes Loch Flare-Animation (NASA/SAO/CXC/D.Berry)
Wenn nicht alles um ein Schwarzes Loch dem Untergang geweiht ist, was passiert dann mit den meisten Dingen, die nicht hineinfallen?
Das Material, das um das Schwarze Loch herum fällt, kann das Schwarze Loch selbst nie erreichen, es sei denn, es verliert genügend Drehimpuls. Dies geschieht unter anderem durch Abflüsse. Richtig, Schwarze Löcher saugen nicht nur Material an, sie blasen es auch aus. Fast jedes Schwarze Loch, das Materie ansammelt, stößt es auch aus. Dies geschieht, während sich die Materie noch außerhalb des Schwarzen Lochs selbst befindet, da bekanntlich nichts entweichen kann, sobald es sich im Umkreis des Lochs befindet.
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Animation der Eruption aus einem supermassiven Schwarzen Loch (NASA/CXC/A.Hobart)
Jetzt wissen wir also, dass Schwarze Löcher einfach nichts aufnehmen, sondern es in den Weltraum senden. Und das ist nicht nur zum Spaß. Dies beeinflusst die Umgebung um sie herum.
Schwarze Löcher bilden Jets und Winde von spektakulärer Kraft und Vielfalt. Die Materie wird in vielen Fällen mit enormen Geschwindigkeiten, nahe der Lichtgeschwindigkeit, ausgestoßen. Manchmal unterbrechen Ausflüsse die eigene Brennstoffversorgung des Schwarzen Lochs mit einströmender Materie. Aber diese energetischen Ausflüsse können auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Umgebung des Schwarzen Lochs haben. Ausflüsse aus supermassereichen Schwarzen Löchern können das Wachstum von Galaxien stoppen oder sogar den Gaszufluss in Richtung der Zentren von Galaxienhaufen stoppen.
Schwarze Löcher sind also nicht ganz schwarz. Und sie sind nicht nur die Vorboten der Zerstörung, die ihr Name vermuten lässt. Mit anderen Worten, vielleicht sind sie nicht nur etwas, vor dem man Angst haben muss, sondern auch Ehrfurcht haben. Es stellt sich heraus, dass Schwarze Löcher ein unglaublich wichtiger Teil unseres kosmischen Ökosystems sind. Je mehr wir über Schwarze Löcher erfahren, desto mehr sollten wir froh sein, dass es sie gibt.
Planeten des Schwarzen Lochs
Keiichi Wada vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans sieht das so. Er arbeitet an der Physik von Schwarzen Löchern, hat sich aber mit Kollegen zusammengetan, die die Planetenentstehung erforschen, um zu sehen, ob die Idee plausibel ist.
„Die beiden Felder [Planetenbildung und Schwarze Löcher] sind so unterschiedlich, dass es normalerweise keine Wechselwirkung zwischen ihnen gibt“, sagt Wada. Sie wollten dies ändern, indem sie ihr Wissen kombinierten, um die Entstehung von Planeten um supermassereiche Schwarze Löcher zu modellieren, genau wie Gargantua in Interstellar.
Planeten bilden sich um Sterne herum, wenn die Schwerkraft beginnt, Staubkörner zu winzigen Kugeln zu sammeln, die dann allmählich miteinander kollidieren, um immer größere Objekte zu bilden. Wada und sein Team wollten sehen, ob dies um ein Schwarzes Loch herum passieren könnte.
Ihr im November 2019 veröffentlichtes Modell zeigt, dass die Gravitationsumgebung in ausreichender Entfernung vom Schwarzen Loch – mindestens 10 Lichtjahre entfernt – stabil genug ist, damit sich Planeten genauso bilden können wie um Sterne wie unsere Sonne .
„Dies ist die allererste Studie, die die Möglichkeit einer direkten Bildung planetenähnlicher Objekte um supermassereiche Schwarze Löcher behauptet“, sagt Wada. „Wir erwarten mehr als 10.000 Planeten um ein supermassereiches Schwarzes Loch, weil die Gesamtmenge an Staub [dort] enorm ist.“ Das ist eine Menge unerforschter kosmischer Immobilien.
Planeten könnten sich also möglicherweise um Schwarze Löcher herum bilden, aber das ist keine Garantie dafür, dass sie eine lebensfreundliche Umgebung bieten. Auf der Erde sind Lebewesen in hohem Maße vom Licht und der Wärme der Sonne abhängig, um zu überleben. Ohne das Leuchten eines Sterns würde das Leben um ein Schwarzes Loch wahrscheinlich eine alternative Energiequelle benötigen.
Glücklicherweise ist das vielleicht nicht allzu schwer zu bekommen. Laut einem im Oktober 2019 von Dr. Jeremy Schnittman von der NASA veröffentlichten Papier könnte ein Merkmal vieler Schwarzer Löcher – die Akkretionsscheibe – die Sonne ersetzen.
Die Akkretionsscheibe ist praktisch ein flaches Materialband, das sich um das Schwarze Loch herum ansammelt und darauf wartet, verschlungen zu werden. Wenn das Material nach unten in die Vergessenheit gerät, bewegt es sich unglaublich schnell und emittiert riesige Mengen an Energie, bevor es am Punkt ohne Wiederkehr verschwindet.
„Alle uns bekannten Schwarzen Löcher haben Akkretionsscheiben und sie sind unglaublich hell“, sagt Schnittman. Nach seinen Berechnungen würde ein Planet in die richtige Entfernung vom Schwarzen Loch gebracht und die Akkretionsscheibe würde die gleiche Größe und Helligkeit haben wie die Sonne an unserem Himmel. „Es würde unserem Sonnensystem sehr ähnlich sehen“, sagt er.
Der Tageshimmel auf einem solchen Planeten mag bekannt sein, aber der Nachthimmel wäre alles andere als. Die Zentren von Galaxien, in denen sich normalerweise supermassereiche Schwarze Löcher befinden, sind so vollgestopft mit Sternen, dass der Nachthimmel laut Schnittman 100.000-mal heller wäre als unserer.
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Diese Sterne sind jedoch nicht sauber über den Himmel verteilt. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs beschleunigt den Planeten auf so hohe Geschwindigkeiten, dass das gesamte Sternenlicht von einem einzigen Punkt vor Ihnen zu kommen scheint, der kleiner als die Sonne ist. „Es ist, als würde man in den Regen fahren“, sagt Schnittman. Stellen Sie sich ein Raumschiff vor, das in einem Science-Fiction-Film Warp-Geschwindigkeit erreicht. "Es würde sicherlich spektakulär aussehen."
Es gibt jedoch ein Problem mit einem Planeten, der von einer Akkretionsscheibe erwärmt wird. „Sie geben viel mehr Ultraviolett- und Röntgenstrahlung ab als die Sonne“, sagt Schnittman. Diese Art von Strahlung könnte einen ansonsten bewohnbaren Planeten möglicherweise sterilisieren. „Man braucht eine bewölkte Atmosphäre, um es zu blockieren“, fügt er hinzu.
Aber das ist nicht unmöglich, wenn man bedenkt, was wir bereits über die Exoplaneten wissen, die wir im Orbit anderer Sterne gefunden haben. „Dicke, dunstige Atmosphären scheinen ziemlich verbreitet zu sein“, sagt er. So können Sie vielleicht damit davonkommen, dass es hier auf der Erde wie ein ständig heißer und feuchter Tag ist.
Interstellar Wissenschaft
Berichtigung, 09.11.2014:Die Grundannahmen, die ich in diesem Film über Schwarze Löcher machte, waren falsch, daher waren die Schlussfolgerungen, die ich unten zog, falsch. Dies bedarf einiger Erläuterungen, also lesen Sie bitte meinen Folgebeitrag, der meine Fehler herausfiltert.
Im Allgemeinen genieße ich es, Filmkritiken zu schreiben. Sie sind eine unterhaltsame Möglichkeit, meine Gedanken über einen Film zu sammeln, seine Handlung, die Produktion, das Schreiben und sogar die Wissenschaft zu analysieren.
Genau aus diesem Grund habe ich mich davor gefürchtet, diesen hier zu schreiben. Ich habe mich sehr darauf gefreut zu sehen Interstellar … aber ich fand es schrecklich. Ein totales Durcheinander. Also, wenn Sie auf der Suche nach einem tldr, da ist es. Ich [...] wirklich, Ja wirklich mochte es nicht. Und ich wollte es wirklich, wirklich.
Was es noch schlimmer macht, ist, dass der Film wirklich großartig hätte sein können. Die Gesamthandlung ist nicht schlecht (wenn es eine Aufarbeitung einer alten Science-Fiction-Idee ist) und einige der Ideen darin waren solide. Die Spezialeffekte waren atemberaubend. Hervorragend. Aber sie können keinen Film mit bleiernen Dialogen, offensichtlichen Vorahnungen, fauler Philosophie und einem ernsthaften, aber fehlgeleiteten Versuch, tiefgründig zu sein, tragen. Und viele der kritischen Details in der Handlung waren ein Mischmasch von Ideen, die keinen Sinn ergaben.
Und die Wissenschaft. Ach je. Die Wissenschaft.
Von hier an wird es Spoiler geben, also sei gewarnt, sage ich.
Grundstückskessel
Die Handlung ist schwer zusammenzufassen, aber hier sind die Stichpunkte: In einer unbestimmten Zeit in der Zukunft, wahrscheinlich in mehr als 50 Jahren, befindet sich die Welt in einer ökologischen Katastrophe. Ernten fallen aus, Lebensmittel sind knapp, Milliarden sind gestorben. Matthew McConaughey spielt Cooper, einen ehemaligen Piloten und Ingenieur, der jetzt zusammen mit seinem Schwiegervater, seinem Sohn und seiner Tochter Murph damit kämpft, Mais auf seiner Farm anzubauen. Seine Tochter beschwert sich über einen Geist in ihrem Zimmer, der versucht, ihr Nachrichten zu schicken. Zunächst abweisend, stellt Cooper fest, dass die Nachrichten echt sind, irgendwie mit der Schwerkraft codiert sind und Koordinaten zu einem Ort enthalten, der sich irgendwo innerhalb der Fahrentfernung befindet.
Cooper und Murph entdecken an diesen Koordinaten eine geheime NASA-Basis, und Cooper wird erzählt, dass vor einem halben Jahrhundert in der Nähe von Saturn eine „Gravitationsanomalie“ entdeckt wurde: ein Wurmloch, das vermutlich von Außerirdischen dort platziert wurde, vermutlich auch die gleichen Wesen, die mit ihm kommunizierten Murph nutzt die Schwerkraft. Auf der anderen Seite wurden ein Dutzend bewohnbarer Planeten entdeckt und ein Dutzend Menschen entsandt, um sie zu erforschen. Ein System hat drei potenziell bewohnbare Planeten, und es liegt nun an Cooper, ein Schiff durch das Wurmloch zu steuern, herauszufinden, welcher Planet der beste ist, und die Menschheit zu retten, indem er den Menschen ein neues Zuhause gibt.
An diesem Punkt bricht der Film ziemlich auseinander, sowohl wissenschaftlich als auch in seiner Erzählweise. Zum Beispiel hat die NASA, obwohl sie Jahrzehnte zuvor defundiert wurde, irgendwie die Fähigkeit, Dutzende von Schiffen mit Besatzung zu starten, die jeweils Hunderte von Milliarden Dollar kosten würden (und tut dies unerklärlicherweise – gewöhne dich an dieses Wort – aus einem unterirdischen Silo, das buchstäblich ist direkt neben seinen Arbeitsbüros). Es war nicht klar, warum die Schiffe eine Besatzung haben mussten, anstatt Roboter zu sein, und die Idee, dass nur Daten mit geringer Bandbreite zurückgesendet werden konnten (und so viele Details über die Planeten ausschließen würden), kam mir dreist und klobig vor Plot-Gerät, um Cooper und seine Crew dazu zu bringen, selbst nachzuschauen.
Cooper steuert das Schiff erfolgreich durch das Wurmloch (was schön und ziemlich gut gemacht war, sogar bis hin zu der viel gebrauchten Erklärung, wie Wurmlöcher funktionieren, die von geliehen wurde Eine Falte in der Zeit) und auf der anderen Seite finden er und seine Crew das Drei-Planeten-System, das unerklärlicherweise ein Schwarzes Loch umkreist. Ich seufzte bei diesem Teil hörbar. Woher bekommen die Planeten Wärme und Licht? Du brauchst irgendwie ein Star dafür. Wärme konnte nicht vom Schwarzen Loch selbst stammen, denn später muss Cooper (unvermeidlich) in das Schwarze Loch hinein und er wird nicht gebraten. Die Planeten sind also unerklärlicherweise bewohnbar, obwohl es keine Wärmequelle in der Nähe gibt.
An dieser Stelle könnte ich mit den wissenschaftlichen Fehltritten, die der Film von hier aus macht, immer weitermachen (und weiter und weiter und weiter und weiter). Lassen Sie mich nur ein Beispiel herausgreifen, da es für die Handlung des Films entscheidend war, aber zeigt, wie viel Wissenschaft aus der Luftschleuse geworfen wurde.
Der Planet, der nicht da war
Es stellt sich heraus, dass einer der drei Planeten sehr nahe am Schwarzen Loch kreist, so dass es starke relativistische Effekte geben wird. Im Vergleich zu einem entfernten Beobachter verlangsamt sich die Zeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs (wahr), so dass eine Stunde auf dem Planeten sieben Jahre auf der Erde entspricht. Das ist sofort ein großes Problem. Um diese Art von Zeitdilatation (einen Faktor von etwa 60.000) zu erhalten, müssen Sie sich knapp über der Oberfläche des Schwarzen Lochs befinden, und ich meine gerade über die Oberfläche, praktisch überfliegend. Aber wegen der Art und Weise, wie Schwarze Löcher den Raum verdrehen, muss die minimale stabile Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch mindestens betragen drei mal so groß wie das Schwarze Loch selbst. Uhren würden in dieser Entfernung etwas langsamer laufen als bei jemandem auf der Erde, aber nur um etwa 20 Prozent.
Mit anderen Worten, Damit der Planet die im Film behauptete riesige Zeitdilatation hat, müsste er zu nahe am Schwarzen Loch sein, um eine stabile Umlaufbahn zu haben. Blöd! Es würde hineinfallen.
Außerdem gibt es das Problem der Gezeiten. Eine Seite des Planeten ist dem Schwarzen Loch viel näher als die andere Seite. Die Schwerkraft ändert sich mit der Entfernung, je weiter Sie von der Quelle entfernt sind, desto schwächer ist die Schwerkraft, die Sie fühlen. Die Änderung der Schwerkraft des Schwarzen Lochs über den Durchmesser eines Planeten beträgt sehr groß und erzeugt eine Gezeitenkraft, die den Planeten ausdehnt. So nah an einem Schwarzen Loch ist die Gezeitenkraft enorm, Geist-(und Planet-)beugend riesig. So riesig, dass der Planet in Fetzen gerissen und verdampft würde.
Wenn der Planet also nicht hineinfällt, wird er buchstäblich zu Dampf zerquetscht. Jedenfalls gibt es keinen Planeten.
Im Film ist natürlich der Planet da. The explorers go down and find it covered in water as well as suffering through periodic ginormous tidal waves sweeping around it. These are unexplained, and I assumed they were caused by tides from the black hole … but that doesn’t work either. That close to the black hole, this inexplicably unvaporized planet would be tidally locked, always showing one face toward the hole. There would be huge tidal bulges pointing toward and away from the hole, but they wouldn’t move relative to the surface of the planet. No waves.
Illustration courtesy Chandra X-ray Observatory Center/NASA
The planet’s very existence is just one example of the scientific stumbles in the movie. Es gibt many others. OK, fine, let me give just one more: the ultimate black hole. For the climax of the movie, Cooper has to fall into it. We see a ring of material around the black hole, presumably the accretion disk: a flat, swirling disk of material that is about to fall into the hole. Because of the incredible forces involved, accretion disks are extremely hot, like millions of degrees hot. They are so brilliant, they can be seen millions of light-years away and blast out enough radiation to completely destroy any normal material.
Yet Cooper flies over one like he’s flying over Saturn’s rings (literally it was a visual callback to an earlier scene in the movie when they actually fly past Saturn’s rings). In reality, his ship would be flash-heated to a bazillion degrees and he would be nothing more than a thin and very flat stream of subatomic particles. All right all right all right?
Also, for some reason, we don’t see the accretion disk moving it’s static, frozen, when in reality it would be whirling madly around the black hole. And, due to the tides I mentioned earlier, as Cooper fell in he would’ve been torn apart.
The Play’s the Thing
You may think this is nitpicking, and in a sense it is I can happily forgive bad science if good science would get in the way of the storytelling. But in this case, the science is critical to the storytelling: This movie is all about black holes. In fact, one of the executive producers is theoretical physicist Kip Thorne (one of the robots in the movie is named KIPP, which made me smile), a scientist for whom I have quite a bit of respect. Thorne’s participation got some press, mostly due to the way black holes in the movie are depicted—and they sind visually stunning.
That’s fine, but the thing is, there’s nothing in this movie dealing with black holes you couldn’t find in a college textbook or a Wikipedia page. The ideas of time dilation, warping space, wormholes, even time travel at the end: There’s nothing really new here, and almost all of it has been used in science fiction before. Thorne is a great and very important physicist, and I mean absolutely no disparagement of him, but I’m not sure how the plot of this movie would have been different had he not been involved.
The real problem isn’t with the science, it’s with the story. I’m sure Thorne knew the science was (way) off, but I can guess that director and screenwriter Christopher Nolan chose to ignore those issues in order to advance his story.
Even ignoring the problems with the science, it was the storytelling in the movie that made it nearly unwatchable for me. The characters have very little depth, for one, and the dialogue turned into pure cheese several times.
In a conversation between Cooper and Anne Hathaway’s character about love, she says that love is an artifact of a higher dimension (what does that even mean?) and “transcends the limits of time and space,” as if it’s a physical force—an allusion to gravity, which, critically to the plot, does transcend dimensions, time, and space. The dialogue here was stilted to say the least, and it gets worse when Matt Damon’s character talks about a parent’s love for his children, saying, “Our evolution has yet to transcend that simple barrier.” Who talks like that? The movie is riddled with attempts to be profound, but due in part to the clunky dialogue it just sounds silly.
The plotting was just as laborious. The setup was ham-fisted and plodding it was obvious immediately that Murph’s “ghost” would turn out to be a black-hole-diving time-traveling Cooper, and that the aliens were in fact advanced humans from the future. They apparently created the black hole and wormhole in the first place, manipulating time and events so things had to unfold the way they did. That part was interesting, though by no means new Kurt Vonnegut covered this thoroughly in The Sirens of Titan, for example. This might not seem obvious to folks who haven’t watched or read a lot of science fiction, which is fine, but for it to be the Big Reveal fell pretty flat for me.
There were obvious nods to 2001, 2010, and several other movies. And sometimes more than just nods … in an early scene, before he leaves for his space voyage, Cooper decides to give his daughter a gift. It turns out to be a wristwatch, which later in the movie proves critical in her being able to save the world.
I almost yelled at the screen during that scene. In the movie Kontakt, McConaughey’s character gives Jodie Foster’s character a compass before she goes on her space voyage, and tells her it might just save her life (which it eventually does). The same actor in a similar movie performs the same gift-giving act with a similar gift that turns out to have similar plot results.
New Pulsar Reveals Feeding Habits of Milky Way’s Black Hole
A team of astronomers, including Heino Falcke (Radboud University Nijmegen/ ASTRON) and Adam Deller (ASTRON), has discovered radio pulses from a neutron star practically next door to the supermassive black hole which resides at the center of the Milky Way. Radio ‘pulsars’ are rapidly spinning neutron stars, ubiquitous in the rest of the Milky Way but until now perplexingly unseen in the Galactic Center region. By studying the pulsar emission, the team was able to show that the matter being gobbled by the supermassive black hole is pervaded by a magnetic field strong enough to regulate the black hole’s feeding habits and to explain its radio and X-ray glow.
Artist’s impression of PSR J1745-2900, a pulsar with a very high magnetic field (‘magnetar’) in direct vicinity of the central source of our Galaxy, a supermassive black hole of approximately 4 million times the mass of our Sun. Measurements of the pulsar imply that a strong magnetic field exists in the vicinity around the black hole. Image Credit: MPIfR/Ralph Eatough
The discovery of a pulsar closely orbiting the candidate supermassive black hole at the center of the Milky Way (called Sagittarius A*, or Sgr A* in short) has been one of the main aims of pulsar astronomers for the last 20 years. Pulsars act as extremely precise cosmic clocks, and a pulsar near Sgr A* could be used to measure the properties of space and time in strong gravitational fields, and to see if Einstein’s theory of General Relativity could hold up to the strictest tests.
The young ultramagnetic pulsar PSR J1745-2900 was discovered when the Swift satellite observed a strong X-ray flash originating very close to the center of the Milky Way – likely less than 1 light-year from Sgr A* – and the subsequent observations showing a rotation period of 3.76 seconds by NASA’s NuSTAR telescope. With the 100m-telescope in Effelsberg near Bonn, Germany, the team discovered radio pulses from the same region with the same period. Additional observations were made in parallel and thereafter with the Jodrell Bank, Nancay and Very Large Array radio telescopes worldwide, while other groups studied PSR J1745-2900 using the ATCA, Parkes and Green Bank telescopes the ATCA results appear in this week’s journal of MNRAS (Shannon & Johnston).
Sgr A* is slowly swallowing the hot, ionized gas which surrounds it – a process called accretion. The accreted gas is also threaded by magnetic fields, which are dragged along with the gas and interact with the accretion process in a complicated fashion, regulating the amount of material accreted and potentially launching powerful plasma jets. Until now, the strength of these fields was very uncertain, hampering efforts to understand the accretion process.
The radio pulses from PSR J1745-2900 are strongly polarized much of the emitted radiation oscillates in a preferred plane. However, as the radiation traverses the magnetized material surrounding Sgr A*, the ‘Faraday effect’ changes the plane of polarization in a manner dependent on the wavelength of the radiation and the strength of the magnetic field. By observing PSR J1745-2900, the team were able to characterize the strength of the magnetic field in the immediate vicinity of Sgr A*. ‘It is amazing how much information we can extract from this single object’, said Deller.
Astronomers predict that there should be thousands of pulsars around the center of the Milky Way. Despite that, PSR J1745-2900 is the first pulsar discovered there. ‘Astronomers have searched for decades for a pulsar around the central black hole in our galaxy, without success. This discovery is an enormous breakthrough, but it remains a mystery why it has taken so long to find a pulsar there’, says Falcke.
This pulsar is too magnetically active and just a little too far away from the black hole to measure the subtle effects of Einstein’s General Relativity theory with great accuracy. However, with old pulsars, that are closer to the black hole and have a less variable rotation period, the theory can be tested. ‘If there is a young pulsar, there should also be many older ones we just have to find them’, agrees M. Kramer, director at the Max Planck Institute in Bonn which operates the Effelsberg telescope.
Additional high angular resolution follow-up observations of PSR J1745-2900 are now being undertaken to map its orbit around the super massive black hole. From this, scientists can determine the origin of the pulsar and, potentially, refine the estimate of the mass of the black hole.
Star’s loops around a giant black hole uphold Einstein’s predictions
After following a star’s motion around a black hole for nearly three decades, astronomers have found that the star’s orbit matches a key prediction of Albert Einstein’s general theory of relativity.
Over the course of 27 years, Reinhard Genzel at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany, and his collaborators used the European Southern Observatory’s increasingly precise instruments to track a star called S2, which makes a 16-year orbit around the Milky Way’s central black hole. They found that S2’s highly elongated trajectory does not retrace the same ellipse in each orbit, as Newton’s law of gravitation would suggest.
Instead, S2’s path undergoes a gradual shift, or precession, tracing a ‘flower’ pattern (pictured below) in the sky. The researchers’ findings also rule out the presence of multiple large masses, such as several large black holes, at the centre of the Milky Way.
The star named S2 (white dot, artist’s impression) traces a daisy-petal pattern around the black hole (black dot) at the centre of the Milky Way. Credit: L. Calçada/ESO
The team’s earlier studies of S2 showed that its light became redder as it sank deeper into the black hole’s gravitational well, and bluer as it orbited back out — another important effect of general relativity called gravitational redshift.
Astronomers Have Discovered a Star That Survived Nearly Being Swallowed by a Black Hole
When black holes swallow down massive amounts of matter from the space around them, they're not exactly subtle about it. They belch out tremendous flares of X-rays, generated by the material heating to intense temperatures as it's sucked towards the black hole, so bright we can detect them from Earth.
This is normal black hole behaviour. What isn't normal is for those X-ray flares to spew forth with clockwork regularity, a puzzling behaviour reported in 2019 from a supermassive black hole at the centre of a galaxy 250 million light-years away. Every nine hours, boom - X-ray flare.
After careful study, astronomer Andrew King of the University of Leicester in the UK identified a potential cause - a dead star that's endured its brush with a black hole, trapped on a nine-hour, elliptical orbit around it. Every close pass, or periastron, the black hole slurps up more of the star's material.
"This white dwarf is locked into an elliptical orbit close to the black hole, orbiting every nine hours," King explained back in April 2020.
"At its closest approach, about 15 times the radius of the black hole's event horizon, gas is pulled off the star into an accretion disk around the black hole, releasing X-rays, which the two spacecraft are detecting."
The black hole is the nucleus of a galaxy called GSN 069, and it's pretty lightweight as far as supermassive black holes go - only 400,000 times the mass of the Sun. Even so, it's active, surrounded by a hot disc of accretion material, feeding into and growing the black hole.
According to King's model, this black hole was just hanging out, doing its active accretion thing, when a red giant star - the final evolutionary stages of a Sun-like star - happened to wander a little too close.
The black hole promptly divested the star of its outer layers, speeding its evolution into a white dwarf, the dead core that remains once the star has exhausted its nuclear fuel (white dwarfs shine with residual heat, not the fusion processes of living stars).
But rather than continuing on its journey, the white dwarf was captured in orbit around the black hole, and continued to feed into it.
Based on the magnitude of the X-ray flares, and our understanding of the flares that are produced by black hole mass transfer, and the star's orbit, King was able to constrain the mass of the star, too. He calculated that the white dwarf is around 0.21 times the mass of the Sun.
While on the lighter end of the scale, that's a pretty standard mass for a white dwarf. And if we assume the star is a white dwarf, we can also infer - based on our understanding of other white dwarfs and stellar evolution - that the star is rich in helium, having long ago run out of hydrogen.
"It's remarkable to think that the orbit, mass and composition of a tiny star 250 million light years away could be inferred," King said.
Based on these parameters, he also predicted that the star's orbit wobbles slightly, like a spinning top losing speed. This wobble should repeat every two days or so, and we may even be able to detect it, if we observe the system for long enough.
This could be one mechanism whereby black holes grow more and more massive over time. But we'll need to study more such systems to confirm it, and they may not be easy to detect.
For one, GSN 069's black hole is lower mass, which means that the star can travel on a closer orbit. To survive a more massive black hole, a star would have to be on a much larger orbit, which means any periodicity in the feeding would be easier to miss. And if the star were to stray too close, the black hole would destroy it.
But the fact that one has been identified offers hope that it's not the only such system out there.
"In astronomical terms, this event is only visible to our current telescopes for a short time - about 2,000 years, so unless we were extraordinarily lucky to have caught this one, there may be many more that we are missing elsewhere in the Universe," King said.
As for the star's future, well, if nothing else is to change, the star will stay right where it is, orbiting the black hole, and continuing to be slowly stripped for billions of years. This will cause it to grow in size and decrease in density - white dwarfs are only a little bigger than Earth - until it's down to a planetary mass, maybe even eventually turning into a gas giant.
"It will try hard to get away, but there is no escape," King said. "The black hole will eat it more and more slowly, but never stop."
