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Stellen Sie sich einen locker gebundenen Haufen uralter Sterne vor, wie Brotkrumen über den Himmel verstreut – und entdecken Sie, dass sein Kern nicht von hellen Sonnen, sondern von dunklen, kompakten Überresten bevölkert ist: mehr als einhundert stellare Schwarze Löcher. Dieses eindrückliche Bild ergibt sich aus neuer Forschung zu Palomar 5, einem diffus wirkenden Kugelsternhaufen mit Gezeitenstrom weit draußen im Halo der Milchstraße.
Palomar 5 ist ungewöhnlich. Die Sterngruppe, die diesen Namen trägt, dehnt sich zu einem Gezeitenstrom aus, der sich über viele Grade am Himmel erstreckt und entlang seiner Länge etwa 30.000 Lichtjahre umfasst; das System selbst liegt in einer Entfernung von rund 80.000 Lichtjahren von der Erde. Während viele Kugelsternhaufen kompakt, sphärisch und dicht gepackt mit Hunderttausenden alter Sterne sind, ist Palomar 5 locker und wird bereits durch die Gravitation der Galaxie auseinandergerissen. Genau diese Zerbrechlichkeit könnte der Schlüssel zu dem sein, was sich im Inneren verbirgt.
Jahrzehntelang betrachteten Astronomen Kugelsternhaufen als fossile Zeugnisse des frühen Universums: dichte Sternlabore, in denen alle Sterne zugleich aus einer gemeinsamen Gaswolke entstanden. Als jedoch die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) die Milchstraße in bislang unerreichter Detailtiefe zu kartieren begann, traten lange, flussartige Gezeitenströme zutage – die zerrissenen Überreste von Haufen und Zwerggalaxien. Palomar 5 besitzt sowohl einen sichtbaren Mutterhaufen als auch einen ausgedehnten Schweif entwichener Sterne, was ihn zu einem idealen Labor macht, um zu prüfen, wie Ströme entstehen und sich entwickeln.
Simulationen, Schwarze Löcher und die Ausstoßung von Sternen
Forscher nutzten hochaufgelöste N-Körper-Simulationen, um mögliche Geschichten von Palomar 5 rückzuspielen und nachzuvollziehen, wie sich die gravitativen Wechselwirkungen einzelner Sterne über Milliarden von Jahren entwickelt haben könnten. Wenn sie Populationen stellarer Schwarzer Löcher im Kern des Haufens einbezogen, reproduzierten die Modelle die ungewöhnlich diffuse heutige Struktur und den ausgeprägten, langen Gezeitenstrom. Ohne Schwarze Löcher blieben die simulierten Haufen zu kompakt und konnten weder die Anzahl noch die Verteilung der entwischten Sterne erklären.
Warum sind Schwarze Löcher hier wichtig? Weil sie wie schwere Billardkugeln auf einem überfüllten Tisch wirken. Wechselwirkungen zwischen Sternen und Schwarzen Löchern pumpen kinetische Energie in die leichteren Sterne, schleudern sie auf weite Bahnen oder werfen sie in den Strom. Im Laufe der Zeit entweichen bevorzugt die leichteren Sterne, sodass ein größerer Anteil massereicher, kompakter Überreste im schrumpfenden Kern zurückbleibt. Die Simulationen deuten darauf hin, dass das Verhalten von Palomar 5 am besten erklärt wird, wenn etwa ein Fünftel der Masse des Haufens in Schwarzen Löchern steckt – eine Population, die dreimal größer ist als grobe Abschätzungen aufgrund der heute sichtbaren Sterne vermuten würden.
„Die Zahl der Schwarzen Löcher ist ungefähr dreimal so groß wie erwartet anhand der Anzahl der Sterne im Haufen, und das bedeutet, dass mehr als 20 Prozent der Gesamtmasse des Haufens aus Schwarzen Löchern bestehen“, sagte Mark Gieles, der die Studie leitete. „Jedes von ihnen hat eine Masse von etwa 20 Sonnenmassen, und sie bildeten sich in Supernova-Explosionen am Ende der Lebenszeit massereicher Sterne, als der Haufen noch sehr jung war.“
Karte der Ebene der Milchstraße, gewonnen aus Daten des Gaia-Katalogs (eDR3). Der obere Bereich zeigt eine Region, in der der Sternhaufen Palomar 5 und seine Gezeitenströme beobachtet werden (DESI Legacy Imaging Survey, DECaLS/E. Balbinot, Gaia, DECaLS-DESI)
Warum das wichtig ist: Gravitationswellen und das Schicksal von Haufen
Es gibt zwei unmittelbare wissenschaftliche Gewinnpunkte. Erstens: Wenn Kugelsternhaufen wie Palomar 5 große Populationen Schwarzer Löcher behalten, könnten sie effiziente Brutstätten für binäre Schwarze Löcher sein, die später verschmelzen und Gravitationswellen erzeugen, die von Observatorien wie LIGO und Virgo detektiert werden. Die Dynamik im Inneren dichter Haufenkernen kann durch Nahbegegnungen Binärsysteme zusammenstellen; diese Systeme verhärten sich dann und gehen schließlich in die Verschmelzung über.
Zweitens: Die Lebensgeschichte vieler Haufen könnte in einem Überrest enden, der von Schwarzen Löchern dominiert wird und sich in den Halo auflöst. In den Simulationen verliert Palomar 5 kontinuierlich Masse und wird wahrscheinlich in etwa einer Milliarde Jahren vollständig verdampfen. Kurz vor der Auflösung wäre das verbleibende gebundene Objekt überwiegend aus Schwarzen Löchern zusammengesetzt, die die Galaxie umkreisen – ein geisterhaftes Echo des ursprünglichen Sternhaufens.
„Eine große Unbekannte in diesem Szenario ist, wie viele Schwarze Löcher es in Haufen gibt, was sich beobachtend schwer eingrenzen lässt, weil wir Schwarze Löcher nicht direkt sehen können“, bemerkte der Astrophysiker Fabio Antonini. „Unsere Methode gibt uns einen Weg, wie viele Schwarze Löcher in einem Sternhaufen stecken, indem wir die Sterne betrachten, die sie ausstoßen.“ Dieser indirekte Ansatz – unsichtbare Populationen aus den Bewegungen und der Verteilung sichtbarer Sterne abzuleiten – wird zu einem mächtigen Werkzeug in der Haufenastrophysik.
Experteneinsicht
Dr. Laura Mitchell, Astrophysikerin am Institute for Galactic Dynamics, kommentiert: „Was Palomar 5 so überzeugend macht, ist die Kombination aus einem sichtbaren Progenitor und einem ausgedehnten Strom: Es ist ein seltener Fall, in dem Modelle sowohl an der internen Struktur als auch an externen Trümmern geprüft werden können. Die Idee, dass die sichtbaren Sterne eines Haufens abgeschert werden, während Schwarze Löcher bleiben, ist rückblickend intuitiv, aber die Quantifizierung dieses Prozesses erfordert die detaillierten N‑Körper-Rechnungen, die das Gaia‑Zeitalter jetzt erlaubt. Das hat Auswirkungen in vielen Bereichen der Astrophysik – von der stellaren Evolution bis hin zu Populationen von Gravitationswellenquellen.“
Über Palomar 5 hinaus ist die größere Lehre klar: Gezeitenströme sind mehr als hübsche Muster am Himmel. Sie sind forensische Beweise. Ihre Form, Dichte und die Geschwindigkeit, mit der Sterne verloren gehen, kodieren die unsichtbare Masse und die dynamische Vergangenheit ihrer Ursprungssysteme. Mit Gaia und nächsten Generationen von Himmelsdurchmusterungen können Astronomen Ströme kartieren und prüfen, ob andere Haufen ähnlich große Ansammlungen von Schwarzen Löchern verbergen.
Die Studie wurde in Nature Astronomy veröffentlicht und stützt sich auf die präzise Astrometrie von Gaia kombiniert mit tiefen Bildgebungs-Katalogen und modernen Simulationstechniken. Während das Katalogisierungsnetz der Ströme wächst und die Modelle besser werden, werden Astronomen die Schätzungen verfeinern, wie viele Schwarze Löcher Haufen tatsächlich erzeugen und behalten – eine Zahl, die wichtig ist für Vorhersagen von Gravitationswellenraten, das Verständnis von Haufenüberlebenszeiten und das Nachzeichnen der Aufbaugeschichte der Milchstraße.
Palomar 5 ist gewissermaßen ein Rosetta‑Stein für die Entstehung von Strömen: Er verbindet das Sichtbare mit dem Unsichtbaren und zeigt, wie dunkle Überreste das sichtbare Licht formen. Wenn wir die in den Sternen hinterlassenen Muster weiter lesen, wer weiß, welche weiteren verborgenen Populationen wir noch entdecken werden?
Quelle: sciencealert
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