Wenn ein Stern dem Schwarzen Loch zu nahe kommt

Schwarze Löcher sind unsichtbar – und doch gehören einige von ihnen zu den auffälligsten Objekten am Himmel. Das gilt besonders dann, wenn sie einen massereichen Begleitstern besitzen, der sie in enger Umlaufbahn umkreist. Solche Stern-Schwarze-Loch-Doppelsternsysteme wurden in den letzten Jahren zunehmend auch in unserer Milchstraße entdeckt. Wie stabil diese extremen Partnerschaften sind und wie sie enden, war bislang jedoch unklar.

Eine neue theoretische Studie zeigt nun: Das Schicksal dieser Systeme hängt überraschend stark von einem einzigen Parameter ab – dem Abstand zwischen Stern und Schwarzem Loch. Schon eine kleine Veränderung kann darüber entscheiden, ob ein System über Millionen Jahre existiert oder in einer kosmischen Katastrophe endet.

Die kritische Grenze zwischen Stabilität und Zerstörung

Im Zentrum der Untersuchung stehen hochauflösende numerische Simulationen, die den Massentransfer vom Stern auf das Schwarze Loch detailliert nachzeichnen. Solange der Stern das Schwarze Loch in einem Abstand von mehr als etwa zehn Sonnenradien umkreist, verläuft dieser Prozess vergleichsweise ruhig: Materie strömt kontrolliert in Richtung des Schwarzen Lochs, ohne das gesamte System aus dem Gleichgewicht zu bringen.

Unterschreitet die Umlaufbahn jedoch diese kritische Grenze, kippt das System. Der Massentransfer wird instabil, das Schwarze Loch dringt tief in die äußeren Schichten des Sterns ein und beginnt, ihn regelrecht zu verschlingen. Innerhalb weniger Stunden – ein Augenblick in kosmischen Maßstäben – wird der Stern dabei weitgehend zerstört, während sein dichter Heliumkern mit dem Schwarzen Loch verschmilzt.

Warum ausgerechnet dieser Abstand entscheidend ist

Auf den ersten Blick mag es erstaunlich wirken, dass ein so komplexer Prozess von einer vergleichsweise einfachen Regel bestimmt wird. Doch der Schlüssel liegt in der inneren Struktur des Sterns. Wie stark sich ein Stern aufbläht oder zusammenzieht, wenn er Masse verliert, entscheidet darüber, ob der Massentransfer sich selbst stabilisiert oder weiter verstärkt.

Reagiert der Stern auf den Massenverlust mit einer Ausdehnung, gerät er noch tiefer in den gravitativen Einfluss des Schwarzen Lochs – ein Teufelskreis, der zur dynamischen Instabilität führt. Bleibt diese Reaktion moderat, kann das System über lange Zeit stabil bleiben.

Langsame Evolution oder explosives Ende

Stabile Systeme können sich über Millionen bis Milliarden Jahre entwickeln. Der Stern verliert schrittweise Materie, bis er selbst zu einem kompakten Objekt kollabiert. Am Ende können zwei Schwarze Löcher entstehen, die sich weiter umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen. Solche Ereignisse gehören zu den wichtigsten bekannten Quellen von Gravitationswellen.

Instabile Systeme hingegen liefern ein völlig anderes Bild. Wenn das Schwarze Loch den Stern zerstört, kann dies eine extrem energiereiche Explosion auslösen. Solche Ereignisse werden als schnelle, sehr helle optische Transienten diskutiert – seltene kosmische Blitze, die innerhalb weniger Tage aufleuchten und ebenso rasch wieder verblassen. Die neue Studie liefert erstmals einen plausiblen physikalischen Mechanismus, wie solche Phänomene entstehen könnten.

Bedeutung für die moderne Astrophysik

Die identifizierte Stabilitätsgrenze liefert einen wichtigen Baustein für das Verständnis massereicher Doppelsternsysteme. Sie hilft dabei, Beobachtungen einzuordnen und vorherzusagen, welche Systeme langfristig Gravitationswellenquellen werden könnten – und welche stattdessen in spektakulären Explosionen enden.

Zugleich zeigt die Arbeit, wie empfindlich das Gleichgewicht zwischen Stern und Schwarzem Loch ist. In diesen extremen Umgebungen entscheidet oft ein kleiner Unterschied über Leben oder Tod eines Sterns – und über die Signale, die wir hier auf der Erde schließlich messen können.