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KURZBERICHTE: Stern aus Galaxis geschleudert … und Tschüss


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 11/2020 vom 09.10.2020

Der zufälligen Entdeckung eines Hyperschnellläufers folgte die Erkenntnis, dass er aus dem galaktischen Zentrum stammt. Ein Doppelsternsystem wurde bei seiner Begegnung mit dem extrem massereichen Schwarzen Loch vor rund fünf Millionen Jahren zerrissen, und einer der beiden Sterne entflieht nun dem Milchstraßensystem.


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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 11/2020

Mit einer Geschwindigkeit von rund 1800 Kilometern pro Sekunde enteilt der Stern S 5-HVS1 unserem Milchstraßensystem. Die Grafik zeigt seine derzeitige Position (roter Punkt), seine Bewegungsrichtung (roter Pfeil) und seine zurückgerechnete Flugbahn weg vom galaktischen Zentrum, aus dem er ...

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... vor knapp fünf Millionen Jahren ausgestoßen wurde.


SuW-Grafik, nach: Sergey Koposov; Hintergrundbild: ESO/S. Brunier (www.eso.org/public/germany/images/eso0932a/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)

Wenn in einem astronomischen Fachartikel der Begriff »serendipitous discovery«, zu Deutsch eine »glückliche Entdeckung«, fällt, dann weiß man gleich, was Sache ist: So richtig gesucht hatten die Astronomen nicht, aber gefunden haben sie trotzdem etwas. Im vorliegenden Fall ist das ein Stern mit der Kennung S 5-HVS1. Derzeit befindet er sich im südlichen Sternbild Kranich, rund 29 000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Es ist ein Stern des Spektraltyps A mit rund 2,35 Sonnenmassen.

Nun ist die Milchstraße voll von einigen hundert Milliarden Sternen, darunter auch A-Sterne im selben Sternbild. Was die Entdeckung von S 5-HVS1 überhaupt zu einer Entdeckung – und einer glücklichen noch dazu – macht, sind nicht seine physikalischen Eigenschaften, sondern die schiere Geschwindigkeit, mit der er durch unsere Galaxis saust: Mit rund 1800 Kilometern pro Sekunde ist der Stern fast doppelt so schnell wie alle bis dato entdeckten so genannten Hyperschnellläufer. Das sind Sterne, die sich mit außergewöhnlich hohen Geschwindigkeiten durch unser Sternsystem bewegen. Tatsächlich ist S 5-HVS1 etwa zehnmal so schnell wie ein durchschnittlicher Milchstraßenstern. Sergey Koposov von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und seine Kollegen stellten diesen Hyperschnellläufer als jene glückliche Entdeckung vor einiger Zeit im Fachmagazin »Monthly Notices of the Royal Astronomical Society« vor.

Die nicht maßstabsgetreue Prinzipskizze veranschaulicht, wie das vermutete Doppelsternsystem (orange) im Schwerefeld des extrem massereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* (Sgr A*) auseinandergerissen wird. Zunächst bewegt sich der Schwerpunkt des Systems auf einer parabelnahen Bahn um das Schwarze Loch herum (grau). Dabei sind a1 und a2 die großen Halbachsen des Doppelsternsystems. Während Komponente 2 (K2, blau) vom Schwarzen Loch eingefangen wird, wird Komponente 1 (K1, grün) als Hyperschnellläufer aus der Galaxis katapultiert.


SuW-Grafik, nach Lu, W. et al.: The former companion of the hyper-velocity star S 5-HVS1. arXiv: 2005.12300, fig. 1; Hintergrund: ESO/S. Gillessen et al. (www.eso.org/public/germany/images/eso0846a/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)

Fund in der Durchmusterung

Ins Netz gegangen war den Forschern der Stern im Rahmen des »Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey«. Das ist eine Himmelsdurchmusterung, die von der südlichen Hemisphäre aus auf spektroskopischem Weg mit Hilfe des Anglo-Australian Telescope am australischen Siding Spring Observatory nach Sternströmen um unser Milchstraßensystem sucht. Hyperschnelle Sterne waren also nicht das Ziel der Beobachtungen. Allerdings hatten die Forscher einen Suchfilter für ihre Daten eingerichtet, der sie über besonders schnelle Exemplare informierte – schließlich könnte es sich auch um fehlerhafte Beobachtungsdaten handeln. Sterne mit Radialgeschwindigkeiten – also die eindimensionale Geschwindigkeit zu oder von unserem Sonnensystem hin oder weg – mit mehr als 800 Kilometern pro Sekunde wurden so gemeldet.

S 5-HVS1 erfüllte dieses Kriterium problemlos: Seine Radialgeschwindigkeit beträgt nämlich rund 1020 Kilometer pro Sekunde. Sie alleine würde schon ausreichen, um seine Zukunft zu besiegeln (siehe Grafik oben links). Denn der Stern fliegt schnurstracks aus unserer Galaxis heraus, da seine Geschwindigkeit die galaktische Fluchtgeschwindigkeit bei Weitem übertrifft (siehe SuW 9/2016, S. 24). Am Ort der Sonne liegt diese Fluchtgeschwindigkeit bei rund 560 Kilometern pro Sekunde. Ihr jeweiliger Wert hängt von der Distanz zum galaktischen Zentrum ab. Damit ist der S 5-HVS1 einer der schnellsten je beobachteten Sterne – und es macht ihn damit zu etwas ganz Besonderem.

Eine Frage lag für die Forscher nun auf der Hand: Welcher Mechanismus könnte einen Stern mit derartiger Rasanz aus unserer Galaxis katapultieren? Zwar sind mehrere Szenarien bekannt, die Sterne auf relativ hohe Geschwindigkeiten beschleunigen können – Supernovae beispielsweise, oder Dreifachsternsysteme, die instabil werden; allerdings reichen sie nicht aus, um die hohe Geschwindigkeit von S 5-HVS1 von immerhin etwa 6,5 Millionen Kilometern pro Stunde zu erklären. Auf den richtigen Pfad brachte Ko-posov und Kollegen die Spur des Sterns selbst. Denn diese ließ sich rekonstruieren, indem die Astronomen die Bahn des Sterns in der Zeit zurückrechneten. Sie endet ziemlich genau im galaktischen Zentrum vor 4,8 Millionen Jahren.

Mit anderen Worten: Das Schwarze Loch ist schuld

Bereits Ende der 1980er Jahre hatte der Astronom Jack Hills einen in der Folge nach ihm benannten Mechanismus vorgeschlagen: Demnach könnte die Begegnung eines Doppelsternsystems mit einem extrem massereichen Schwarzen Loch in einer Trennung der beiden Komponenten enden: Auf Grund der Gezeitenkräfte würde das Schwarze Loch einen der Sterne einfangen und verschlucken oder auf eine Umlaufbahn zwingen. Der andere Stern würde währenddessen hinaus ins All katapultiert, womit ihn diese Begegnung in einen Hyperschnellläufer verwandelt (siehe Grafik S. 17). Das klingt zwar durchaus plausibel und wurde von der wissenschaftlichen Gemeinde schon weit gehend als denkbares Szenario akzeptiert; mangels Kandidaten fehlten jedoch Hinweise, dass dieser Hills-Mechanismus auch tatsächlich funktioniert.

S 5-HVS1 ist nun der bislang beste Hinweis darauf, dass sich vor rund 4,8 Millionen Jahren genau dieses Schleudertrauma in unserem galaktischen Zentrum abgespielt hat. Es gibt andere, weniger schnelle Hyperschnellläufer (siehe SuW 4/2020, S. 16), und vielleicht oder sogar wahrscheinlich hat auch hier das extrem massereiche Schwarzes Loch Sagittarius A* eine Rolle gespielt. Darauf deutet hin, dass sich die meisten schnellen Sterne vom galaktischen Zentrum weg bewegen. Allerdings ließ sich der Ursprung eines Hyperschnellläufers bis zum Fall von S 5-HVS1 noch nie so klar zurückverfolgen.

Der Lokalen Gruppe enteilen

Trotzdem bleiben einige offene Fragen. Einen interessanten Punkt haben Koposov und seine Kollegen selbst angemerkt: Als Stern vom Spektraltyp A handelt es sich bei S 5-HVS1 um ein recht langlebiges Objekt. Er wird noch etwa eine Milliarde Jahre lang unterwegs sein und die Lokale Gruppe durchquert haben, bevor seine Brennstoffvorräte aufgebraucht sind. Falls es noch weitere solcher Objekte gibt, könnte es sich daher lohnen, so die Forscher, nach ihnen in einiger Entfernung von dem Milchstraßensystem oder der Andromedagalaxie Ausschau zu halten.

Die Rückrechnung der Bahn des Hyperschnellläufers S 5-HVS1 weist mit großer Präzision auf einen Ursprung in unmittelbarer Nähe des galaktischen Zentrums bei x = y = 0 (rotes Kreuz). Die Bahn der Sonne ist grau eingezeichnet.


SuW-Grafik, nach: Koposov et al.: Discovery of a nearby 1700 km SFF1 star ejected from the milky way by Sgr A*. MNRAS, 2020, fig. 5; Hintergrund: Nick Risinger (commons.wikimedia.org/wiki/File:Milky-Way-Galaxy.jpg) unter Verwendung von NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech) (www.spitzer.caltech.edu/images/1927-ssc2008-10a1-The-Milky-Way-Galaxy) und NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA) (hubblesite.org/image/3913/)

Aber schließlich ist auch das Schicksal der anderen Hälfte jenes ehemaligen Doppelsternsystems interessant. Manche Forscher denken, dass zumindest ein Teil der S-Sterne, die dem extrem massereichen Schwarzen Loch im Zentrum unseres Milchstraßensystems am nächsten sind, aus just solchen Begegnungen stammen. Der ehemalige Begleiter von S 5-HVS1 ist Berechnungen zufolge aber wahrscheinlich – je nach Umlaufbahn – von Sagittarius A* auf Grund der Gezeitenkräfte schon vor langer Zeit auseinandergerissen worden.

FRANZISKA KONITZER studierte Physik und Astrophysik an der University of York in Großbritannien und ist in München als Journalistin tätig.

Literaturhinweise

Koposov, S. et al.: Discovery of a nearby 1700 km SFF1 star ejected from the milky way by Sgr A*. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020
Lu, W. et al.: The former companion of the hyper-velocity star S 5-HVS1. arXiv: 2005.12300