Sagittarius A*: Die superschnellen Babysterne im Zentrum der Milchstraße

astronews.com Redaktion

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Die Babysterne in der Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße verhalten sich anders als erwartet: Sie beschreiben ähnliche Bahnen wie bereits bekannte Hochgeschwindigkeitssterne und ordnen sich in einem bestimmten Muster um das Schwarze Loch an. Grund für diese Anordnung ist offenbar das Schwarze Loch. (17. Juni 2024)

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Klaus

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Ich habe den Artikel nicht verstanden. Natürlich sammelt sich im galaktischen Zentrum durch die Akkretion innerhalb der galaktischen Scheibe Wasserstoff. Warum sollte es dort keine Sternbildung geben? Ich würde von einer eher hohen Sternbildungsrate in galaktischen Zentren ausgehen. Eine Akkretionsscheibe kann aber nur in einer Ebene rotieren und fällt senkrecht dazu in sich sich zusammen. Warum sollten die Sterne sich nicht bevorzugt innerhalb der Ebene der Akkretionsscheibe bilden und anordnen und während ihrer Bildung den Wasserstoff dort aufsammeln? Und natürlich kreist alles hinreichend schnell, um nicht direkt in das Zentrum zu stürzen. Nur irgendwie fehlt mir in der Meldung die Aussage dazu, was dort jetzt auffällig ist.
Was ich mich da gerade frage ist, warum Sternbildungsregionen überhaupt so extrem staubig sind. Das kann zwar mit den häufigen Supernovae dort zusammenhängen, aber ist das wirklich die Ursache oder ballt sich der Staub dort schon bevor sich Sterne bilden und begünstigt nur deren entstehen?
 

Rainer

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Ich würde von einer eher hohen Sternbildungsrate in galaktischen Zentren ausgehen.
So ist das wohl nicht, sondern dieses Material ist aufgebraucht, bis auf diese Neuentdeckung. Aber ich bin da auch kein Experte.

Die Milchstraße galt bisher als Galaxie mit anhaltender, relativ gleichmäßiger Sternbildung. Doch das täuscht, wie nun der bisher genaueste Blick in das Zentrum unserer Galaxie enthüllt. Dort haben Astronomen Hinweise darauf gefunden, dass die Entstehung neuer Sterne in diesem Gebiet vor rund acht Milliarden Jahren fast vollständig zum Erliegen kam – und dies sechs Milliarden Jahre lang. Vor rund einer Milliarde Jahren jedoch setzte die Sternbildung auf explosive Weise wieder ein: Innerhalb von nur 100 Millionen Jahren entstanden fünf Prozent aller Sterne der Milchstraße quasi auf einmal und die Milchstraße glich für kurze Zeit einer der extrem aktiven Starburst-Galaxien, wie die Astronomen berichten. ...
Derzeit bildet die gesamte Milchstraße Sterne nur mit einer Rate von etwa ein bis zwei Sonnenmassen pro Jahr.
 
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Klaus

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Danke für den Artikel. Ich glaube nicht, daß es in der Umgebung des galaktischen Zentrums an Wasserstoff für die Sternbildung mangelt, eher daß auslösende Ereignisse eine zyklische schlagartige Sternbildung forcieren können. Die Akkretion innerhalb der Milchstraße dürfte dafür sorgen, daß sich Unmassen an Wasserstoff im galaktischen Zentrum sammeln bis es irgendwan zu einer Art Kettenreaktion mit verstärkter Sternbildung kommt. Akkretion basiert vorwiegend auf Thermik und ist deswegen mathematisch nicht einfach zu beschreiben.

Zur kurzen Erinnerung, die Temperatur ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen, d.h. leichte Moleküle und Teilchen haben bei gleicher Temperatur die höchste Geschwindigkeit und Wasserstoff die höchste. Eine rein thermische Molekülbewegung erfolgt normal ungeordnet, das heißt es gibt keine Vorzugsrichtung der Teilchenbewegung. Wenn das System jedoch rotiert die Sache anders aus. Auf alle Teilchen, die sich in einem rotierendem System thermisch bedingt, tangential in Rotationsrichtung bewegen, wirkt eine erhöhte Fliehkraft wenn sie sich entgegengesetzt bewegen verringert sich die Zentrifugalkraft und die Teilchen drängen verstärkt nach innen. Dieser Prozeß ist für den Drehimpulstransport extrem effizient und Drehimpuls wandert sehr schnell nach außen. Kann jeder selber sehr einfach testen: Nimm einen Teller dünnflüssige Suppe oder Wasser, rühre in der Mitte kräftig und kurze Zeit später rotieren die Außenbereiche schneller als das Zentrum und das Zentrum dagegen kaum noch. Bei einer nicht-thermischen Kopplung, etwa über Viskosität und innere Reibung, ist so etwas unmöglich. Bei heißem Wasser geht das daher auch sichtbar schneller obwohl dessen Viskosität erheblich geringer ist. Sogar alle Sterne und Gasriesen rotieren am Äquator am schnellsten.

Wenn ein Körper, der sich auf einer kepplerischen Bahn bewegt, auf auf eine weiter innen wechseln will, muß er den Bahndrehimpuls abgeben. Die Hälfte der freiwerden potentiellen Energie wir zur Beschleunigung auf die höhere innere Bahngeschwindigkeit benötigt die andere Hälfte wird freigesetzt, sprich bei der Akkretion wird reichlich thermische Energie freigesetzt. Wer sich unter Astronomen Freunde machen will und lange Weile hat, kann sich ja mal an einem Paper zum Thema Drehimpulstransport durch Thermik versuchen. Viele Astronomen beklagen sich seit Jahrzehnten über die fehlende Viskosität und Reibung und die daher unverstandene Akkretion und beachten die Sternchennudeln im Suppenteller vor ihrer Nase nicht. Das erklärt wohl den Artikel. So ein Suppenteller dürfte aber besser funktionieren, als das neue Forschungslabor der Amis zu dem Thema.

Lange rede kurzer Sinn - Wasserstoff ist das, was in der galaktischen Ebenen am schnellstens in das galaktische Zentrum abwandert, wenn die Milchstraße mal auf eine intergalaktische Wolke trifft. Es dürfte ein Irrglaube sein, daß es ausgerechnet an Wasserstoff im galaktischen Zentrum mangeln könnte und die erwähnten 'Babysterne' im Artikel zeugen ja auch vom Gegenteil. ;)
 

Rainer

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wenn sie sich entgegengesetzt bewegen verringert sich die Zentrifugalkraft
Wie kommst Du denn auf diese Idee. Im Resultat läuft es zwar darauf hinaus:

die Teilchen drängen verstärkt nach innen
Dies ist/wäre lediglich die Folge von Reibung, also gegenseitigen Stößen. Dadurch verringert sich die Kinetische Energie der einzelnen Teilchen (1-dimensional) zu Gunsten einer gemeinsamen Temperatur (3-dimensional). Die sinkende Zentrifugalkraft ist erst die Folge hiervon.

Temperatur ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen
Das ist nicht ganz richtig, sondern gilt nur für das Schwerpunktsystem der ungerichteten Bewegung. Man ordnet zwar gelegentlich auch einem einzigen Teilchen auf Grund seiner Relativgeschwindigkeit eine "Temperatur" zu, aber das ist keine thermische Temperatur, sondern nur ein anderes Wort für Kinetische Energie.

Bei einer nicht-thermischen Kopplung, etwa über Viskosität und innere Reibung, ist so etwas unmöglich.
Thermische Kopplung beruht auf Stößen, also Abstoßung. Bei Reibung und Viskosität geht man eher von einer anziehenden Wechselwirkung aus. Es werden also gegensätzliche Wirkungen beschrieben. Kalter Staub reagiert gravitativ, also anziehend (negativer Druck), heißes Gas wirkt abstoßend (Druck).

Bei einer nicht-thermischen Kopplung, etwa über Viskosität und innere Reibung, ist so etwas unmöglich.
Dass heißes Wasser schneller in Rotation kommen sollte als kalte Suppe, halte ich für ein Gerücht, werde das aber mal testen. Natürlich wirst Du keinen Brei in Rotation versetzen können, das liegt aber an der Reibung mit dem Teller und nicht an innerer Reibung. Ganz im Gegenteil. Eine starre Holzscheibe reagiert selbstverständlich viel schneller als Wasser, und zwar SOWOHL beim Start ALS AUCH beim Stopp.

Wenn ein Körper, der sich auf einer kepplerischen Bahn bewegt, auf auf eine weiter innen wechseln will, muß er den Bahndrehimpuls abgeben.
Das ist korrekt.
L/m = r²ω ~ ²r
ω = ²(G·M/r³)

Die Hälfte der freiwerden potentiellen Energie wir zur Beschleunigung auf die höhere innere Bahngeschwindigkeit benötigt die andere Hälfte wird freigesetzt, sprich bei der Akkretion wird reichlich thermische Energie freigesetzt.
Das kann man so nicht sagen. Beim Drehimpulstransport nach außen muss selbstverständlich auch Impuls, also Energie übertragen werden. Ansonsten kann die Kontraktion eben NUR durch Energieverlust erfolgen.
Wenn der Drehimpuls dabei konstant bleibt, wird die Bahn lediglich elliptisch und kleiner. (a < r)
Wird hingegen lediglich Drehimpuls verloren, dann wird die Bahn ebenfalls elliptisch aber größer. (a = r)
Wärme wird dabei nur durch Stöße erzeugt, also in heißem Gas, nicht aber in kaltem Staub, das hat zunächst gar nichts mit dem Drehimpuls oder dem Bahnradius zu tun.

Es dürfte ein Irrglaube sein, daß es ausgerechnet an Wasserstoff im galaktischen Zentrum mangeln könnte und die erwähnten 'Babysterne' im Artikel zeugen ja auch vom Gegenteil.
Das kann ich zwar nicht beurteilen, aber dabei handelt es sich ja um zwei verschiedene Äras. Die heutige Sternentstehungsrate der Milchstraße liegt ja nur in der Größenordnung 5 Mo/Jahr. Diese 'Babysterne' im Artikel sind ja wohl nicht erst ein Jahr alt. Sonst müsste es da ja vor Sternen nur so wimmeln.

wiki:
lassen allerdings darauf schließen, dass die Sternentstehungsrate in der Galaxis mit 10 bis 20 neuen Sternen pro Jahr deutlich höher sein könnte, als bislang angenommen wurde.

Die Milchstraße befindet sich gerade in einem Übergangsstadium zwischen einem jungen, blau strahlenden Sternsystem mit heftiger Sternentstehung und einer älteren, ruhigen roten Galaxie.
Original 2011 https://arxiv.org/abs/1105.2564

Die geringe Akkretion des GC spricht hingegen klare Worte: es ist fast nichts da. Das könnte allerdings auch andere Gründe haben:

2013
Die Magnetfeldstärke in der direkten Umgebung des schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum ist eine wichtige Kenngröße. Das Massemonster verschluckt letztendlich Material aus seiner direkten Umgebung, hauptsächlich heißes ionisiertes Gas. Dieser Prozess heißt Akkretion. Die von dem einfallenden Gas erzeugten Magnetfelder können Struktur und Dynamik des Akkretionsflusses beeinflussen und ihn sogar blockieren.

Außerdem können sehr starke Magnetfelder direkt am schwarzen Loch den Akkretionsprozess unterdrücken. Aus diesem Grund „hungert“ Sgr A* im Vergleich zu superschweren schwarzen Löchern in anderen Galaxien.

Leider steht auch der neu gefundene Pulsar mit einer Umlaufperiode von mindestens 500 Jahren immer noch in zu großer Entfernung von der Zentralquelle, um die Struktur der Raumzeit direkt im Zentrum detailliert zu erforschen
 
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blue.moon

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Klaus schrieb:

Ich würde von einer eher hohen Sternbildungsrate in galaktischen Zentren ausgehen.

Rainer schrieb:

So ist das wohl nicht, sondern dieses Material ist aufgebraucht, bis auf diese Neuentdeckung. Aber ich bin da auch kein Experte.



Milchstraße erlebte “Explosion” der Sternbildung

https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/milchstrasse-erlebte-explosion-der-sternbildung/

Original:

Published: 16 December 2019

Early formation and recent starburst activity in the nuclear disk of the Milky Way

https://www.nature.com/articles/s41550-019-0967-9


Hallo Foristen!
Vielen Dank für den Artikel!

Googel ich Sternentstehungsrate in der Milchstrasse, lese ich meistens: nur wenige „Sternengeburten“ pro Jahr… aber das kann nicht ganz stimmen, der vorgestellte Artikel ist das beste Beispiel: die „Hochgeschwindigkeitssterne und S-Sterne“ und „die jungen Sterne“ nahe SgrA* haben verständlicherweise für Überraschung gesorgt! (Davor las ich nur von sog. „Sternengeburtsstätten“ in bestimmten Nebeln wie dem Orionnebel, mit relativ hoher Gasdichte.)

Dagegen sind SMBH als „Wiege für Babysterne“ wegen der extremen Gravitationskräfte, hohen Strahlung und starken dynamischen Wechselwirkungen doch sehr schwierige Bedingungen dafür, dass sich Gaswolken genug zusammenballen, um Sterne zu bilden! Die Astronomen hatten daher erwartet, und die traditionellen Modelle der SFR zeigten, dass ältere, leuchtschwache Sterne dominieren.

Wie entstanden die jungen Sterne nahe dem SMBH?

Eine Möglichkeit ist, dass diese jungen Sterne ursprünglich weiter entfernt entstanden und durch dynamische Wechselwirkungen und gravitative Einflüsse in die Nähe des Schwarzen Lochs migriert sind. Oder dass dichte Gas- und Staubscheiben oder -klumpen um das Schwarze Loch herum vorhanden sein könnten, in denen trotz der extremen Bedingungen Sternentstehung stattfinden kann. Oder und sehr wahrscheinlich (scheint mir) durch Kollisionen und Verschmelzungen...

Der Artikel weist darauf hin, dass die jungen Sterne ähnliche Bahnen wie die S-Sterne beschreiben und sich in einem bestimmten Muster um Sgr A* anordnen. Dies deutet darauf hin, dass die Gravitation des Schwarzen Lochs einen erheblichen Einfluss auf ihre Bewegung und Anordnung hat.

Die Existenz dieser jungen Sterne nahe Sgr A* fordert die traditionellen Modelle ganz klar heraus und zwingt die Wissenschaftler dazu, neue Mechanismen und Prozesse zu berücksichtigen. Wir wissen wenig und lernen (förmlich) jeden Tag dazu…


Liebe Grüße, Mondlicht
 

blue.moon

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PS

Die Erkenntnisse der letzten 20 Jahre, die sowohl SFR-fördernden bzw. bremsenden Wechselwirkungen von SMBH und ihren Hostgalaxien sowie die Selbstorganisation und das Kosmisches Recycling sind meinem Eindruck nach, bei folgender Beurteilung, in den traditionellen Modellen, zu wenig berücksichtigt.



Man ging/geht davon aus, dass das cosmic noon etwa 2 bis 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall stattfand und nie wieder erreicht wurde, was allein wegen der Expansion nachvollziehbar, glaubwürdig ist.
Die SFR Rate begann seitdem zu sinken, die Begründung: weil das verfügbare Gas nach und nach verbraucht wurde und die Galaxien sich entwickelten und stabilisierten. In den darauffolgenden Milliarden Jahren setzte sich dieser Abwärtstrend bis heute fort.


Betrachte ich allein den Materiekreislauf, kann der Ausdruck „das Gas ist verbraucht worden“ zu falschen Assoziationsketten führen, jedenfalls bei mir als Laien. Heute weiß man auch, dass z.B. „Gas-Nachschub“ aus dem Halo einer Galaxie angezogen wird…
Deshalb überzeugt mich die aktuelle Angabe der Sternentstehungsrate in der Milchstraße von etwa 1 bis 3 Sternen pro Jahr nicht – ich lasse es (für mich) einfach offen.
Ich kann zwar nachvollziehen, dass die SFR insgesamt geringer wird… Aber wer weiß, wenn sogar im Zentrum von Galaxien, nahe dem SMBH, „Babysterne“ entdeckt wurden, siehe Eingangsartikel… brauchts mehr Forschung! Mondlicht
 

Klaus

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Dies ist/wäre lediglich die Folge von Reibung, also gegenseitigen Stößen. Dadurch verringert sich die Kinetische Energie der einzelnen Teilchen (1-dimensional) zu Gunsten einer gemeinsamen Temperatur (3-dimensional). Die sinkende Zentrifugalkraft ist erst die Folge hiervon.
Denk noch einmal darüber nach, wie das mit der Reibung bei interstellarem Wasserstoff und dessen Molekülen und Atomen ausschaut, um die es hier geht. Wasserstoff entzieht zeitgleich auch allen Objekten die Wasserstoff nicht gravitativ binden können, die Wärme, wenn Moleküle mit der höchsten kinetischen Energie nach innen oder außen abwandern, zumindest so lange von all dem noch etwas vorhanden ist. Letztlich separiert Gravitation die Teilchen entsprechen ihrer Energie, was sonst kaum möglich ist. Auch wenn sich Sterne bilden, erhöhen sich Druck und Temperatur der ursprünglichen ultradünnen Wasserstoffwolken um viele Größenordnungen auf Kosten der Energie der Teilchen, die freigesetzt wird.
 

Rainer

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Letztlich separiert Gravitation die Teilchen entsprechen ihrer Energie
Wie stellst Du Dir das vor? Eine Gaswolke lässt sich gravitativ nicht auftrennen. Du verwechselst dies wohl mit einer Staubwolke.
Wasserstoff entzieht zeitgleich auch allen Objekten die Wasserstoff nicht gravitativ binden können, die Wärme
Wie kommst Du denn auf diese Idee?
wenn Moleküle mit der höchsten kinetischen Energie nach innen oder außen abwandern
In einer Gaswolke wandert nichts ab. Du denkst schon wieder an eine Staubwolke.
 

Klaus

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Wie stellst Du Dir das vor? Eine Gaswolke lässt sich gravitativ nicht auftrennen. Du verwechselst dies wohl mit einer Staubwolke.
Da das permanent in jedem Sternentstehungsgebiet und nahezu allen Akkretionsscheiben passiert, solltest Du Diesen Gedankengang ein wenig erklären.

So eine Molekülwolke wäre nach irdischem Maßstab ein Ultrahochvakuum ( https://de.wikipedia.org/wiki/Interstellares_Medium )
1l Wasserstoff unter Normaldruck und Temperatur würde darin einen Würfel mit mehr als 80 km Seitenlänge füllen, wobei sich die Moleküle bei 20K mit durchschnittlich 500 m/s bewegen, am Schmelzpunkt von Wasserstoff bei 14K sind es 416m/s. Die Temperatur kann zu den Rändern der Wolken kaum abfallen und es dürfte somit keine klar abgegrenzte Ränder der Wolken geben.
Wie kommst Du denn auf diese Idee?
Wegen dem Temperaturausgleich. Wasserstoffmoleküle bewegen sich unter den Bedingungen reichlich frei und mit ihnen natürlich auch Wärme in Form von kinetischer Energie. Die Energie dürfte an den Rändern der Wolken auf noch dünneren Wasserstoff des interstellaren Mediums übergehen und durch die Akkretion mit abtransportiert werden. wenn sie nicht über Wärmestrahlung abgegeben wird.
In einer Gaswolke wandert nichts ab. Du denkst schon wieder an eine Staubwolke.
Was hast Du ständig mit Staubwolken? Ich denke durchaus an Wasserstoff. Wie praktisch alle Sterne beweisen, sammelt sich dieser am schnellsten im Zentrum der Akkretionsscheiben und nicht der Staub, der jungen Sterne verdeckt. Staub spielt bzgl. der Gesamtmenge an Materie bei der Sternbildung kaum eine Rolle.
 

Rainer

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Die Energie dürfte an den Rändern der Wolken
Das ist natürlich richtig. Allerdings ist die Oberfläche S ~ r², während das Volumen V ~ r³.
Was hast Du ständig mit Staubwolken?
Naja, wenn es um Temperatur geht, unterscheidet man gerne einfach nach Gas=heiß (V=kT/p) und Staub= kalt (zu vernachlässigender Druck).
Die Sterne in der Galaxie rotieren wie Staub ohne Druck. Eine Gaswolke muss dagegen nicht so stark rotieren, weil der Druck gegen die Gravitaton arbeitet. Oder anders gesagt, Staub kollabiert leichter als Gas. Kaltes Gas nennen wir daher gerne einfach Staub.
 
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Klaus

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Das ist natürlich richtig. Allerdings ist die Oberfläche S ~ r², während das Volumen V ~ r³.

Naja, wenn es um Temperatur geht, unterscheidet man gerne einfach nach Gas=heiß (V=kT/p) und Staub= kalt (zu vernachlässigender Druck).
Die Sterne in der Galaxie rotieren wie Staub ohne Druck. Eine Gaswolke muss dagegen nicht so stark rotieren, weil der Druck gegen die Gravitaton arbeitet. Oder anders gesagt, Staub kollabiert leichter als Gas. Kaltes Gas nennen wir daher gerne einfach Staub.
OK, wäre damit eine Frage des Maßstabs, wobei interstellarem Gas an Druck nicht viel vorhanden und Energieverluste durch Reibung und Kollision entfallen, die aber auch zwischen Sternen praktisch fehlen. Für die Akkretion bedarf es einer Interaktion und des Energie- bzw. Impulsaustausches, aber keiner Reibung. Letztere dürfte sogar hinderlich sein, weil sie den Drehimpuls- und Energieabtransport und damit auch die Akkretion behindert.
 

Rainer

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Für die Akkretion bedarf es einer Interaktion und des Energie- bzw. Impulsaustausches
Diesen gibt es auch bei Staub, aber halt nur sehr gering. Allein durch die gravitative Anziehung und unterschiedliche Geschwindigkeit auf den Orbits wird bei jeder Passage Impuls von innen nach außen übertragen.
 

Klaus

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Diesen gibt es auch bei Staub, aber halt nur sehr gering.
Apropos Staub - ein Pfefferstreuer ist recht hilfreich, um bei dem Experiment mit dem Suppenteller etwas zu sehen.

Dass heißes Wasser schneller in Rotation kommen sollte als kalte Suppe, halte ich für ein Gerücht, werde das aber mal testen.
Nur die Drehimpulsübertragung von der Mitte auf die Außenbereiche erfolgt bei heißem Wasser schneller.
Die Rotation startet mit dem natürlich mit dem Rühren in der Mitte, wobei die Mitte durch die Verlagerung des Drehimpulses in die Außenbereiche am schnellsten zur Ruhe kommt.
Ein typischer Teller hat den Vorteil, daß er zum Rand flacher wird, was die rotierende Masse senkt, wenn sich der Drehimpuls dorthin verlagert. Ein Teil der Energie geht ja durch Reibung verloren. Bei einer Pfanne bedarf es deutlich mehr Energie, wenn man den Außenbereich noch rotieren sehen will.
 
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