Ein zerrissener Stern

Wie ein Schwarzes Loch einen Stern zerfetzt, der ihm zu nahe kommt, und das Herz einer Galaxie aufleuchten lässt

Schritt für Schritt

Ein Stern kommt näher

Fast jede große Galaxie hat ein riesiges Schwarzes Loch in ihrer Mitte. Das der Milchstraße, Sagittarius A*, hat die vier-millionenfache Masse der Sonne; dieses hat eine Million, typisch für die, die man beim Zerreißen von Sternen ertappt hat. Sterne wimmeln auf eigenen Bahnen um solche Löcher, und ab und zu kommen sich zwei so nahe, dass einer auf eine Bahn geschleudert wird, die geradewegs auf das Loch zustürzt.

Das Loch selbst ist klein für seine Masse. Sein Ereignishorizont, die Fläche, aus deren Innerem nicht einmal Licht entkommt, ist etwa viermal so breit wie die Sonne. Seine Schwerkraft krümmt das Licht der Sterne dahinter, deshalb wirkt der Himmel um seinen schwarzen Schatten verzerrt.

Der gestrichelte Ring ist der Gezeitenradius. Außerhalb davon hält die eigene Schwerkraft den Stern zusammen. Innerhalb vermag das nichts.

Gestreckt

Das Loch zieht stärker an der nahen Seite des Sterns als an der fernen. In der Nähe des Gezeitenradius wird dieser Unterschied, die Gezeitenkraft, so stark wie die eigene Schwerkraft des Sterns, und der Stern wird in die Länge gezogen.

Gezeiten gibt es nicht nur bei Schwarzen Löchern. Der Mond hebt sie in den Ozeanen der Erde, weil er stärker an der Seite der Erde zieht, die ihm zugewandt ist. Hier ändert sich der Zug mit der Entfernung so steil, dass der Unterschied über die Breite eines Sterns die eigene Schwerkraft des Sterns übertrifft.

Astronomen nennen das Spaghettifizierung, weil alles, was hineinfällt, lang und dünn gezogen wird. Bei einem Schwarzen Loch von einer Million Sonnen erreicht ein Stern wie die Sonne diesen Punkt in etwa 70 Millionen km Entfernung: der halbe Abstand der Erde von der Sonne und noch weit außerhalb des Horizonts.

Es geht schnell. Mit Zehntausenden Kilometern pro Sekunde braucht der Stern nur etwa 18 Minuten vom Gezeitenradius bis zu seiner größten Annäherung.

Zerrissen

Nichts explodiert. Der Stern hört einfach auf, ein Ganzes zu sein: Sein Gas behält die Geschwindigkeit, die es hatte, aber jeder Teil ist ein wenig anders weit vom Loch entfernt und folgt deshalb einer etwas anderen Bahn. Beim Vorbeischwingen flachgedrückt, dann auseinandergezogen, wird der Stern zu einem langen, dünnen Strom.

Die Seite, die dem Loch näher war, ist ein wenig zu langsam, um zu entkommen, und ist nun an das Loch gebunden. Die ferne Seite ist ein wenig zu schnell und kommt nie zurück. Dieser kleine Unterschied entscheidet über alles Weitere.

Computersimulationen zeigen, wie sich der ganze Stern innerhalb weniger Stunden auflöst.

Ein Fluss aus Gas

Innerhalb von Tagen ist der Strom länger als der Abstand der Erde von der Sonne. Seine gebundene Hälfte, näher am Loch, wird langsamer und fällt zurück; die andere Hälfte fliegt für immer davon.

Der Strom bleibt dünn, weil seine eigene Schwerkraft ihn von den Seiten zusammenhält, selbst wenn er sich auf das Tausendfache der Länge des Sterns streckt. Sein Gas kühlt ab, während es sich ausbreitet, deshalb ist der echte Strom lichtschwach. Teleskope können ihn nicht sehen, aber Simulationen verfolgen ihn genau.

Wie sich das Gas aufteilt, hängt von der Energie ab, die jeder Teil mitgenommen hat: Je näher am Loch er im Stern lag, desto fester ist er gebunden. Das am festesten gebundene Gas folgt einer Bahn, die es bis auf etwa das 46-Fache des Abstands der Erde von der Sonne hinausträgt, bevor es umkehrt.

Der gestrichelte Ring ist die Erdbahn, im selben Maßstab gezeichnet.

Die Hälfte fliegt davon

Das entweichende Gas trägt die Hälfte der Masse des Sterns hinaus in die Galaxie. Mit Tausenden Kilometern pro Sekunde wird es Millionen Jahre lang zwischen den Sternen treiben: ein dünner Gasbogen, der einmal eine Sonne war.

Das gebundene Gas läuft auf langen, schmalen Bahnen um das Loch, wie Kometen um die Sonne. Das Gas, das dem Loch am nächsten lag, hat die kürzeste Bahn und kommt zuerst zurück; der Rest folgt über Monate und Jahre, immer weniger auf einmal.

Der gestrichelte Ring ist die Neptunbahn, maßstabsgetreu. Der Strom reicht bald weit über die Größe unseres ganzen Planetensystems hinaus.

Die Rückkehr

In Newtons Schwerkraft schließt sich eine Bahn in sich selbst. Nahe an einem Schwarzen Loch nicht: Einsteins Theorie lässt jede Bahn ein Stück weiter herumschwingen, wie die des Merkur um die Sonne, nur hier um etwa 23 Grad bei jedem Umlauf statt um eine Haaresbreite.

So fliegt Gas, das gerade um das Loch geschwungen ist, auf einer etwas anderen Linie wieder hinaus und kracht in den Strom, der noch hereinfällt, etwa 16-mal so weit entfernt wie die Erde von der Sonne. Der Zusammenstoß heizt das Gas auf und bremst es ab, und nach und nach sammelt es sich zu einer heißen, wirbelnden Scheibe um das Loch.

Wie genau das zurückkehrende Gas zu einer Scheibe wird, wird noch erforscht, mit einigen der größten Simulationen der Astronomie.

Der Ausbruch

Teleskope erfassen diese Ausbrüche als plötzliches Aufhellen im innersten Zentrum einer Galaxie, die zuvor ruhig war. AT2019qiz, 2019 in einer 215 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckt, ist der nächste bisher; Helligkeit und Temperatur des Ausbruchs sind hier die gemessenen, sein zeitlicher Ablauf aber der des einfachsten Modells.

Sein sichtbares Licht stammt aus einer Wolke heißen Gases um das Loch, Dutzende Male breiter als die Erdbahn, die der Ausbruch hinausgeschleudert hat und die von innen beleuchtet wird. Die Scheibe selbst, weiter innen, leuchtet vor allem im Ultravioletten und im Röntgenlicht.

Nahe am Loch krümmt seine Schwerkraft das Licht der Scheibe, sodass ihre ferne Seite über und unter dem schwarzen Schatten sichtbar wird.

Verblassen

Jeden Tag kommt weniger Gas zurück, also verblasst der Ausbruch, wie die Kurve zeigt. Nach wenigen Jahren ist er fast verschwunden, und das Schwarze Loch wird wieder ruhig.

Das zurückkehrende Gas dünnt auf eine Weise aus, die sich daraus ergibt, wie die Energie des Stroms verteilt war: Die Rate sinkt wie die Zeit hoch minus fünf Drittel. Das Licht vieler Ausbrüche verblasst genau so, eines der klarsten Zeichen, dass es wirklich zerrissene Sterne sind.

Etwa die Hälfte des Sterns fällt zurück. Ein Teil wird verschluckt, und vieles wird von der Hitze wieder fortgeblasen. Das Loch gewinnt einen Bruchteil einer Sonne: kaum eine Veränderung für etwas, das eine Million Mal schwerer ist.

In einer Galaxie wie unserer geschieht das etwa einmal alle 10.000 bis 100.000 Jahre. Weil so viele Galaxien zu beobachten sind, finden Durchmusterungsteleskope heute Dutzende pro Jahr, und das Vera C. Rubin Observatory in Chile soll Tausende finden.