A spectacular multi-wavelength transient associated with an off-axis relativistic jet

Stellen Sie sich das Universum als eine riesige, kosmische Bühne vor, auf der Sterne normalerweise vorhersehbare Shows abliefern: Sie explodieren, sie verblassen oder sie kollabieren sanft. Aber ab und zu führt ein kosmischer Darsteller einen Stunt auf, der so wild ist, dass er das Drehbuch bricht. Genau das geschah mit einem kosmischen Ereignis namens AT 2019ijn.

Ein Team von Astronomen, die wie intergalaktische Detektive agierten, stieß durch das Scannen des Himmels mit einem massiven Radio-Teleskop-Array namens Very Large Array (VLA) auf dieses Rätsel. Sie suchten nach Dingen, die in Radiowellen laut schreien, aber in sichtbarem Licht leise flüstern. Die meisten kosmischen Explosionen sind wie Feuerwerke: Man sieht zuerst den hellen Blitz und hört dann später den Knall. AT 2019ijn war anders. Es war ein „Geist in der Maschine“, der ein ganzes Jahr lang im sichtbaren Licht verborgen blieb, bevor es plötzlich in Radiowellen aufschrie.

Das Rätsel entfaltet sich: Eine einjährige Verzögerung

Hier ist der seltsame Teil: Das Ereignis leuchtete zuerst am 31. Mai 2019 im sichtbaren Licht auf. Es war ein brillanter, blauer Blitz, der schnell anstieg (in nur etwa 7 Tagen in seiner eigenen Zeit) und dann über mehr als 38 Tage langsam verblasste. Es war so hell, dass es mit einer Leistung von etwa 10⁴⁴ erg/s strahlte (das ist eine Menge Energie!).

Doch dann: Stille. Ein ganzes Jahr lang sahen die Radioteleskope nichts. Das Objekt war für sie unsichtbar. Dann kam der Radio-"Knall" schließlich am 21. Juli 2020 an. Das Radiosignal war unglaublich stark, erreichte einen Spitzenwert von 6,2 mJy (eine Einheit der Radiohelligkeit), und es verblasste nicht einfach; es glühte über 6 Jahre lang weiter.

Die Autoren vermuten, dass diese Verzögerung geschah, weil die Explosion einen superschnellen, schmalen Energiestrahl aussendete – einen relativistischen Jet –, aber dieser nicht auf uns gerichtet war. Stellen Sie sich eine leistungsstarke Taschenlampe vor, die in der Dunkelheit rotiert. Wenn der Strahl von Ihnen wegzeigt, sehen Sie nichts. Aber während der Strahl langsamer wird und sich ausbreitet, schwenkt er schließlich herum und trifft Ihre Augen. Das ist wahrscheinlich hier passiert: Der Jet war „off-axis“, das heißt, er war leicht von der Erde weg gerichtet, was dazu führte, dass das Radiosignal verspätet eintraf.

Was es nicht war: Ausschluss der üblichen Verdächtigen

Die Wissenschaftler gingen sehr sorgfältig vor, um zu prüfen, ob dies nur eine normale Sternexplosion war. Sie untersuchten die Beweise und sagten: „Nö.“

• Keine Standard-Supernova: Normale explodierende Sterne (Supernovae), die durch den Tod eines massereichen Sterns angetrieben werden, haben einfach nicht genug Energie, um ein so helles und langanhaltendes Radiosignal zu erzeugen. Die Energie hier wurde auf 2 × 10⁵² erg geschätzt, was viel zu hoch für eine Standardexplosion ist.
• Keine Gamma-Ray Burst (GRB): Normalerweise, wenn wir einen solchen Jet sehen, handelt es sich um einen Gamma-Ray Burst, der in hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlen schreit. Aber AT 2019ijn war in diesen hochenergetischen Bändern ruhig. Es besaß nicht den „hochenergetischen Schrei“, der normalerweise mit einem Jet einhergeht, der direkt auf uns gerichtet ist.
• Keine superlumineszente Supernova (SLSN): Dies sind die „Superstars“ unter den Explosionen, aber selbst sie verblassen meist viel schneller als AT 2019ijn. Das Radioleuchten hier war 10- bis 100-mal heller als das, was wir normalerweise Jahre später von diesen Ereignissen sehen.

Die führende Theorie: Ein Schwarzes Loch, das einen Stern frisst

Was hat es also verursacht? Die Autoren schlagen vor, dass der wahrscheinlichste Übeltäter ein Tidal Disruption Event (TDE) ist.

Stellen Sie sich ein Schwarzes Loch (einen kosmischen Staubsauger) vor, das etwas kleiner ist als die üblichen Giganten, die wir in den Zentren von Galaxien sehen. Dieses hier ist wahrscheinlich ein „intermediär-massiges“ Schwarzes Loch, das das 10⁴- bis 10⁶-fache der Masse unserer Sonne wiegt. Es lebt in einer kleinen, sternbildenden Zwerggalaxie.

Eines Tages kam ein Stern zu nah heran. Die Gravitation des Schwarzen Lochs war so stark, dass sie den Stern zerriss. Dies ist kein sanftes Auseinanderbrechen; es ist ein gewaltsames Zerfetzen. Das Material des Sterns bildete eine wirbelnde Scheibe um das Schwarze Loch, die sich aufheizte und blau leuchtete (das ist der optische Flare, den wir 2019 sahen).

Aber hier kommt der Clou: Während das Schwarze Loch den Stern verschlang, fraß es nicht nur; es feuerte auch einen leistungsstarken Strahl aus Teilchen aus, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen schoss. Da dieser Jet leicht von uns weg gerichtet war (off-axis), sahen wir die initiale Explosion nicht. Wir sahen nur das „Nachglühen“, als der Jet langsam genug wurde, um sichtbar zu werden, was diesen zusätzlichen Zeitraum von einem Jahr dauerte.

Der Beweis: Ein kosmischer Fingerabdruck

Woher wissen sie, dass es ein Schwarzes Loch ist und nicht etwas anderes? Sie untersuchten die Wirtsgalaxie, eine kleine Zwerggalaxie, die etwa 1,4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist (Rotverschiebung z = 0,273).

• Die Wirtsgalaxie: Die Galaxie ist jung und voller neuer Sterne, aber sie ist nicht riesig. Basierend auf der Größe der Galaxie legt die Mathematik nahe, dass das Schwarze Loch darin im Bereich von 10.000 bis 1.000.000 Sonnenmassen liegen muss.
• Das Gas: Als sie das Licht der Galaxie untersuchten, sahen sie eine breite Linie von Wasserstoffgas (Hα). Dies deutet darauf hin, dass viel Gas um die Umgebung wirbelt, was zur Geschichte eines zerfetzten Sterns passt, der ein Schwarzes Loch füttert.
• Das Radiospektrum: Die Art und Weise, wie sich die Radiowellen über die Zeit veränderten (flacher und dann steiler wurden), passte perfekt zu Computersimulationen eines schmalen Jets, der langsamer wird, während er durch den Weltraum pflügt. Eine einfache, runde Explosion (wie eine Standard-Supernova) hätte die Daten nicht erklären können.

Das Urteil

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass es sich bei AT 2019ijn höchstwahrscheinlich um einen jetted Tidal Disruption Event von einem masseärmeren Schwarzen Loch handelt, der von der Seite betrachtet wurde. Es ist ein seltenes, exotisches Ereignis, bei dem ein Schwarzes Loch einen Stern verschlang, einen relativistischen Jet ausstieß und sich dieser Jet dann ein Jahr später schließlich zu uns drehte, um „Hallo“ zu sagen.

Obwohl die Autoren einräumen, dass andere exotische Ideen (wie eine seltsame Verschmelzung eines Sterns und eines Schwarzen Lochs) möglich sein könnten, deuten die Beweise am stärksten auf ein Schwarzes Loch hin, das einen Stern frisst. Diese Entdeckung ist bedeutend, weil sie zeigt, dass diese leistungsstarken Jets auch in kleineren Galaxien vorkommen können und dass man sie entdecken kann, selbst wenn sie nicht direkt auf uns gerichtet sind. Es ist, als würde man einen Leuchtturmstrahl finden, der im Nebel verborgen war, nur um dann festzustellen, dass das Licht die ganze Zeit da war und nur darauf wartete, dass der Nebel sich klärt.