Sterne, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum rasen

Die meisten Menschen wissen wahrscheinlich, dass das Universum voller Elementarteilchen ist – aber nicht jeder weiß, dass es auch voller extrem schneller Sterne ist, die sich frei durch den Weltraum bewegen wie Barrakudas durch den Ozean. Diese Sterne werden durch Gravitationsschleudern ausgeworfen, die sich im Brennpunkt von Galaxienfusionen befinden – wo zwei supermassereiche Schwarze Löcher zusammenwachsen, während sie Sterne aus der Wirtsgalaxie werfen, wie ein Schlagmann, der eine Reihe von Hausläufen aus dem Park trifft. Wenn sich das Schwarzlochpaar zusammenzieht, steigt seine Umlaufgeschwindigkeit und sorgt für einen noch stärkeren Schwung. Schließlich bringt dieser Prozess einige Sterne gemäß Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie auf Lichtgeschwindigkeit und macht sie zu dem, was Astrophysiker als „relativistisch“ bezeichnen.

2014 berechneten ich und mein ehemaliger Postdoc James Guillochon die Häufigkeit relativistischer Sterne im freien Fall im weiten Raum zwischen Galaxien und die Schwierigkeiten, sie in großen Entfernungen zu entdecken. Es muss aufregend sein, auf einem Planeten zu leben, der einen dieser ausgestoßenen Sterne umkreist, und seine Reise durch den Weltraum mitzuerleben. Die Reise beginnt im Zentrum der Muttergalaxie, führt durch viele Sehenswürdigkeiten bis zum Rand des Halos der Galaxie innerhalb einer Million Jahre und gipfelt im intergalaktischen Raum, der über Milliarden von Jahren an kosmologischen Zielen vorbeiführt – allesamt wir kann kaum durch Teleskope sehen.

Diese relativistischen Stars stellen die attraktivsten Reisepakete dar, die intergalaktische Reisebüros anbieten können, und sie bieten auch gesundheitliche Vorteile. Wenn Sie nahe an der Lichtgeschwindigkeit reisen, haben Sie den Vorteil einer Zeitdilatation, die den natürlichen Alterungsprozess aller Reisenden im Vergleich zu denen, die sie zurückgelassen haben, verlangsamt.

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Selbst ohne eine Galaxienfusion könnten Sterne, die von der starken Schwerkraft in der Nähe eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie gezerrt werden, die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2020 wurde gemeinsam an Reinhard Genzel und Andrea Ghez für ihr Programm vergeben, das Sterne überwacht, die sich mit einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs der Milchstraße, Schütze A *, bewegen. Es wird erwartet, dass relativistische Sterne in den Zentren vieler anderer Galaxien gravitativ an Schwarze Löcher gebunden sind.

Wenn relativistische Sterne in einem galaktischen Kern ineinander laufen, kann die resultierende Frontalkollision eine Explosion erzeugen, die viel energetischer ist als eine typische Supernova – eine Explosion durch den Zusammenbruch eines massiven Sterns, nachdem sein Kernbrennstoff erschöpft ist. Damit die Zwei-Sterne-Kollision nahezu mit Lichtgeschwindigkeit auftritt, muss das zentrale Schwarze Loch mehr als 100 Millionen Sonnen wiegen. Bei niedrigeren Massen, wie es bei Schwarzen Löchern wie Schütze A * der Fall ist, der „nur“ vier Millionen Sonnen wiegt, spaghettisiert die starke Gezeitenkraft des Schwarzen Lochs Sterne, wenn sie sich ihm nähern. Die zerstörten Sterne breiten sich dann in einem Gasstrom aus, lange bevor sie sich dem Horizont des Schwarzen Lochs nähern können, um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, wie in der Doktorarbeit gezeigt. These meines ehemaligen Studenten Nick Stone.

Bei höheren Massen und an ihrem Ereignishorizont ist die Gravitationsflut – die umgekehrt zum Quadrat der Masse des Schwarzen Lochs skaliert – ausreichend schwach, um einen vorbeiziehenden Stern nicht zu stören. Sterne, die in großen Entfernungen von beiden Arten von Schwarzen Löchern umkreisen, bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit, und ihre Kollisionen führen zu schwachen Explosionen, wie ich in einem Preprint-Papier mit meinem ehemaligen Doktoranden Doug Rubin und in einem Nachdruckpapier mit Shmuel Balberg gezeigt habe und Re’em Sari, beide an der Hebräischen Universität von Jerusalem.

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Was passiert in der Nähe der massereichsten Schwarzen Löcher, in denen Sterne nahezu mit Lichtgeschwindigkeit umkreisen können, ohne dass die Gezeiten gestört werden? In einer neuen Arbeit zeigen meine derzeitige Doktorandin Betty Hu und ich, dass Kollisionen von Sternen in der Nähe dieser großen Schwarzen Löcher die energiereichsten Explosionen im Universum auslösen und bis zu tausendmal mehr Energie freisetzen als normale Supernova-Explosionen. Diese superleuchtenden Explosionen in galaktischen Kernen könnten am Rand des Universums mit der LSST-Kamera (Legacy Survey of Space and Time) am Vera C. Rubin-Observatorium nachgewiesen werden, die in wenigen Jahren ihren Betrieb aufnehmen soll.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, Sterne mit hoher Geschwindigkeit aus galaktischen Zentren zu starten. Ein Paar gebundener Sterne, die in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs vorbeiziehen, kann durch seine Gravitationsflut getrennt werden. Einer der Sterne wird näher an das Schwarze Loch getreten, während der andere mit hoher Geschwindigkeit ausgeworfen wird, wie dies theoretisch von Jack Hills im Jahr 1988 vorhergesagt wurde. Der Tritt, den ein Stern in Richtung des Schwarzen Lochs erhält, könnte für die dem Schützen A * am nächsten gelegenen Sterne verantwortlich sein , die von Genzel und Ghez entdeckt wurde. Der Auswurf ihrer Gefährten ist der wahrscheinliche Ursprung der Hypervelocity-Sterne, die Warren Brown und seine Mitarbeiter 2005 im Heiligenschein der Milchstraße entdeckt haben. Diese Hypervelocity-Sterne bewegen sich mit bis zu 2 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und tragen möglicherweise Planeten mit sich. Planeten, die durch den Auswurfprozess befreit werden, stellen eine Population von Hypervelocity-Planeten dar, wie in einem Artikel von 2012 theoretisiert, den ich mit meinem ehemaligen Studenten Idan Ginsburg geschrieben habe.

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Insgesamt bieten galaktische Kerne Startplätze für die schnellsten bewohnbaren Plattformen, die die Natur kostenlos anbietet. Es wäre nicht verwunderlich, wenn fortschrittliche technologische Zivilisationen aus demselben Grund in Richtung galaktischer Zentren wandern würden, aus dem Astronauten und Zuschauer während des Raketenstarts zum Cape Canaveral in Florida strömen. Unter Berücksichtigung dieser Perspektive sollte bei der Suche nach außerirdischer Intelligenz nach Funksignalen gesucht werden, die von Fahrern von Hypervelocity-Sternen stammen. Wir könnten auch feierliche Feuerwerke von ihren Verwandten im galaktischen Zentrum bemerken, wenn ein Hochgeschwindigkeitsstern von dort herausgeschossen wird.

Dies ist ein Meinungs- und Analyseartikel.

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