Eigentlich gelten Supernovae als die spektakulärsten Explosionen, die das Universum zu bieten hat. Immerhin wird bei einer Kernkollaps-Supernova ein massereicher Stern am Ende seiner Entwicklung vollständig zerrissen. Das Aufleuchten kündet von der Entstehung eines Neutronensterns oder Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum. Dieses letzte, leuchtende Hurra kann so hell sein wie eine ganze Galaxie. Doch vor einigen Jahren entdeckten Astronominnen und Astronomen eine neue Klasse von kosmischen Explosionen, die Supernovae in Hinblick auf die Helligkeit glatt in den Schatten stellen: LFBOTs.

Das Akronym steht für »luminous fast blue optical transient« (deutsch: helle, schnelle, blaue, optische Transienten). Etwas griffiger sind die Spitznamen, welche diesen Ausbrüchen verliehen werden. Bei der »Kuh« handelt es sich beispielsweise um das Ereignis AT 2018cow, das innerhalb von nur drei Tagen 100-mal so hell wurde wie das Aufleuchten einer Kernkollaps-Supernova. Es ereignete sich in der rund 200 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie CGCG 137-068 im Sternbild Herkules bei einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 0,014. Auf die Kuh folgten der »Koala« (ZTF 18abvkwla, z = 0,27) oder der »Fink« (AT 2023fhn, z = 0,24). Die Tiernamen basieren dabei auf der Ähnlichkeit im Englischen zu den zufällig zugewiesenen Buchstabencodes der offiziellen Bezeichnung nach der Jahreszahl der Beobachtung.

Doch sind es weder die putzigen Tiernamen noch die schiere Helligkeit der LFBOTs, für die sich Astrophysiker und Astrophysikerinnen interessieren. Stattdessen beschäftigen sie sich mit einer viel grundlegenderen Frage: Was verursacht diesen explosionsartigen Helligkeitsanstieg eigentlich?

Die im Jahr 2018 beobachtete Kuh gilt als der Prototyp dieser außergewöhnlich hellen Ausbrüche im All. Das Ereignis wurde zunächst als FBOT bezeichnet, als schneller, blauer, optischer Transient. »FBOTs sind Energieausbrüche, die kürzer als 10 bis 15 Tage andauern, heller als eine typische Supernova sind, ein Wärmespektrum aufweisen und eine blaue Farbe haben«, sagt Daniel Perley, Astrophysiker an der Liverpool John Moores University. Die Bezeichnung beschreibt zwar die Beobachtung, verrät aber nicht, was dahintersteckt.

»Dann haben wir herausgefunden, dass manche FBOTs einfach nur Supernovae sind, die von ein bisschen Extramaterie umgeben waren, als der Stern explodiert ist«, erzählt Perley. Diese zusätzliche Materie sorgt zwar zunächst für einen verstärkten Helligkeitsanstieg, doch schon nach einigen Tagen entpuppen sich derartige FBOTs in den Beobachtungen als ganz normale Supernovae. »Im Vergleich dazu sind Energieausbrüche wie AT 2018cow völlig anders. Fast alle ihre Eigenschaften unterscheiden sich auf nahezu allen Zeitskalen von denen jeder anderen bekannten Art von Explosion (siehe »Transienten im Vergleich«). Deshalb glauben wir, dass sie einen ganz anderen Ursprung haben«, stellt Perley klar.

»Energieausbrüche wie AT 2018cow sind völlig anders. Fast alle ihre Eigenschaften auf nahezu allen Zeitskalen unterscheiden sich von denen jeder anderen bekannten Art von Explosion«Daniel Perley, Astronom

Um sie von gewöhnlichen Sternexplosionen zu unterscheiden, spendierten Astronomen dieser neu beschriebenen Klasse an kosmischen Explosionen ein zusätzliches »L« für »leuchtkräftig« (englisch: luminous). Das verrät zwar immer noch nicht, was dahintersteckt, aber es herrscht immerhin Einigkeit über die Sonderstellung: »Inzwischen sind wir uns sicher, dass es sich bei allen beobachteten LFBOTs um ein und dasselbe Phänomen handelt«, so Perley. »Auch wenn wir nicht wissen, welches Phänomen das ist.«

Windhund, Wespe oder Specht

Um das kosmische Rätsel zu lösen, muss man es zunächst einmal finden. Das ist leichter gesagt als getan, denn während ständig irgendwo im Universum eine Supernova aufleuchtet, sind LFBOTs eine echte Seltenheit. »Wir beobachten vielleicht ein bis zwei dieser Helligkeitsausbrüche pro Jahr«, erläutert Natalie LeBaron von der University of California in Berkeley. »Alle sind ständig auf der Suche nach dem nächsten Kandidaten.«

Am 26. September 2024 war es wieder so weit: Ein Forscherteam, dem auch Daniel Perley angehört, hatte mithilfe der Zwicky Transient Facility (ZTF) am Palomar Observatory in Kalifornien einen neuen LFBOT-Kandidaten in einer sonst unauffälligen Galaxie (siehe »Kaum zu übersehen«) aufgespürt. Schätzungen zu deren Entfernung rangieren zwischen 1,1 und 1,3 Milliarden Lichtjahren; Letzteres entspricht einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 0,0868. Die Gruppe startete nicht nur umgehend ihre eigenen Beobachtungen, sondern veröffentlichte die Entdeckung des potenziellen LFBOTs unter der Bezeichnung AT 2024wpp umgehend beim Transient Name Server der Internationalen Astronomischen Union (IAU).

Diese Entdeckung für sich zu behalten, kam gar nicht infrage. Schließlich geht es darum, so viele Daten wie möglich in so vielen Wellenlängenbereichen wie möglich zu sammeln – und vor allem: so schnell wie möglich. Transiente sind Himmelsereignisse auf Zeit, und die LFBOTs gehören mit ihrem Helligkeitsanstieg von nur wenigen Tagen zur besonders vergänglichen Sorte. »Deshalb ist es in unserem Teilgebiet der Astronomie üblich, neue Erkenntnisse sehr schnell an die Fachwelt weiterzugeben«, erklärt LeBaron. »Sobald meine Gruppe die Benachrichtigung gesehen hatte, haben wir innerhalb weniger Tage mit unseren eigenen Beobachtungen begonnen. Das ist wirklich aufregend. Ein bisschen so wie ›Alle Mann an Deck!‹.«

»Alle sind ständig auf der Suche nach dem nächsten Kandidaten«Natalie Le Baron, Astronomin

Die Ausbeute ist beachtlich: Das Forscherteam um Perley, das AT 2024wpp entdeckt hatte, führte eine Beobachtungskampagne teilweise mehr als 100 Tage nach der Explosion durch, die fast den gesamten Wellenlängenbereich vom Radio- und Millimeterbereich bis hin zum Röntgenbereich abdeckte. So wurde AT 2024wpp mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) im Millimeterbereich ins Visier genommen, während Messungen mit den Weltraumteleskopen Hubble und Chandra unter anderem Spektraldaten im visuellen und Ultraviolettbereich beisteuerten. Astronomen am Liverpool Telescope auf La Palma beobachteten die Explosion in den ersten Tagen als riesigen, hellen Fleck. Nur wenige Wochen später war bereits nur noch das verschwommene Bild der Wirtsgalaxie sichtbar (siehe »Rasante Entwicklung«).

Tatsächlich sind LFBOTs so selten, dass bislang überhaupt bloß ein gutes Dutzend beobachtet wurde. Laut Perley gab es bislang lediglich für zwei von ihnen detaillierte Beobachtungsdaten zu späteren Zeiten nach der Explosion, die eine genauere Analyse erlauben würden. Mit AT 2024wpp gesellt sich nun ein Dritter im Bunde dazu. Er fördert zahlreiche neue Indizien zutage, die dabei helfen könnten, das kosmische Rätsel seiner Explosion zu lösen – und liefert zugleich Inspiration für einen passenden Spitznamen, basierend auf dem Buchstabenkürzel »wpp«. Vorschläge lauten: die Wespe (englisch: wasp), der Specht (englisch: woodpecker) oder der Windhund (englisch: whippet).

Die Fährte führt zum Schwarzen Loch

Seit der Entdeckung von AT 2018cow haben Astrophysiker zahlreiche Vermutungen geäußert und Modelle getestet, worum es sich bei diesen Energieausbrüchen handeln könnte: Vielleicht ist es doch nur eine ungewöhnliche Supernova, umgeben von außergewöhnlich dichtem Gas, das sich in einer Scheibe um diese verteilt? Könnte ein Magnetar, ein Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld, dabei als zusätzliche Energiequelle dienen? Einem anderen Vorschlag zufolge könnte ein LFBOT eine fehlgeschlagene Supernova sein, die, anstatt zu explodieren, ohne weitere Umstände zu einem Schwarzen Loch zusammenfällt, das anschließend Gas und Staub akkretiert.

Denkbar wäre auch die Verschmelzung eines massereichen Sterns mit einem Schwarzen Loch. Oder aber ein LFBOT ist das letzte Hurra eines Himmelskörpers wie eines Sterns, der einem massereichen Schwarzen Loch zu nahe kommt und prompt durch dessen starke Gezeitenwirkung auseinandergerissen wird (siehe »Todesschrei«).

Die Forschungsgruppe von LeBaron hat ihre eigene Beobachtungskampagne von AT 2024wpp im Röntgen- und Radiobereich sowie im Ultraviolett und nahen Infrarot durchgeführt und ihre Ergebnisse in zwei Arbeiten vorgestellt; beide erschienen im Fachmagazin »The Astrophysical Journal Letters«. Laut ihrer Analyse hat AT 2024wpp in den ersten 45 Tagen rund 10⁵¹ Erg (1 Erg = 10^–7 Joule) an Energie allein in Form von Strahlung abgegeben und damit nicht nur den Prototyp AT 2018cow übertroffen, sondern auch endgültig den offensichtlichen Kandidaten ausgeschlossen, der hinter den kosmischen Explosionen stecken könnte: eine ganz normale Kernkollaps-Supernova. Eine solche bringt schlicht nicht die nötige Energie auf, um derartig hell zu strahlen. Die bei dem Ereignis AT 2024wpp frei werdende kinetische Energie schätzt das Team insgesamt sogar auf mehr als 10⁵³ Erg. Das ist rund das 100-Fache einer Supernova und übersteigt das Limit dessen, was ein gewöhnlicher Sternkollaps freisetzen kann.

Einen wichtigen Hinweis zur wahren Natur hinter dem Ereignis AT 2024wpp liefert dessen Spektrum, das sich vor allem über längere Zeiträume völlig anders verhält als das einer Supernova. Dieses kann als Schwarzkörper modelliert werden, als idealisierte thermische Strahlungsquelle. Ist der Stern erst einmal explodiert, kühlt der Schwarzkörper ab und das Maximum seines Spektrums verschiebt sich immer weiter in den niederenergetischen, roten Spektralbereich. »LFBOTs sind seltsam, weil das bei ihnen nicht passiert«, betont LeBaron. »Das Maximum ihres Spektrums liegt im Ultraviolettbereich und bleibt einfach dort. Es verblasst nur mit der Zeit. Und da wir nach einigen Tagen keine Abkühlung beobachten, muss es irgendeine Energiequelle geben.«

Die Spurensuche geht im Radiobereich weiter, wie Perley berichtet: »Die Radiowellen verraten uns, dass sich zum Zeitpunkt der Explosion viel Material in der Umgebung befindet, auch wenn wir es im optischen Spektrum nicht direkt sehen können.« Trifft bei der Explosion herausgeschleuderte Materie auf diese kühleren Gasschichten, erzeugt die Kollision eine starke Stoßfront. Innerhalb dieser werden Teilchen auf hohe Energien beschleunigt, welche wiederum erhebliche Mengen an Strahlung abgeben. Und die kann im Radiobereich beobachtet werden. Demnach ist die mysteriöse Energiequelle vermutlich schon vor der eigentlichen Explosion dick in Gas und Staub eingepackt.

Und schließlich wäre da noch die Röntgenstrahlung, die den entscheidenden Hinweis liefern könnte. Denn um die beobachteten Schwankungen der Röntgenemission zu erklären, braucht es eine Art innere Instabilität der eigentlichen Quelle. »Und das ist ein Merkmal von Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher«, so Perley.

Die Hinweise darauf, was hinter AT 2024wpp und den anderen LFBOTs stecken könnte, verdichten sich allmählich. Sicher scheint: Ein Schwarzes Loch und seine Akkretionsscheibe spielen eine Rolle. »Das Rätsel, das wir alle zu lösen versuchen, ist jetzt herauszufinden, was da in welches Schwarze Loch stürzt«, so Perley.

Welches Schwarze Loch macht sich verdächtig?

Im Ausschlussverfahren kann das Team wenigstens eine Art von Schwarzes Loch als möglichen Schuldigen verwerfen, und zwar die extrem massereichen Exemplare in den Zentren von Galaxien mit Millionen bis Milliarden von Sonnenmassen. Der offensichtlichste Grund dafür ist, dass in so einem Fall die Quelle eines LFBOTs im Zentrum seiner Heimatgalaxie stattfinden sollte, und das ist bei keinem der bislang beobachteten Ausbrüche der Fall.

In der Größenklasse darunter finden sich mittelschwere Schwarze Löcher (englisch: intermediate-mass black holes, IMBHs) von einigen Hundert bis mehreren Hunderttausend Sonnenmassen. Ein solches Schwarzes Loch könnte Modellrechnungen zufolge den beobachteten Transienten erklären. Dabei reißt es aufgrund der starken Gezeitenkräfte einen benachbarten Himmelskörper auseinander, woraufhin sich eine ausgeprägte Akkretionsscheibe bildet. »Aber dieses Auseinanderreißen verläuft gewissermaßen stufenweise. Ein Teil des Materials wird bereits eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch vollendet haben und mit dem Material, das noch in das System strömt, in Wechselwirkung treten«, sagt LeBaron. Demnach wäre streng genommen das Aufleuchten eines LFBOTs nicht auf eine Explosion im eigentlichen Sinn zurückzuführen, sondern eher eine Kombination aus einem kosmischen Crash, wenn Teile des auseinandergerissenen Begleitsterns miteinander kollidieren, sowie der darauffolgenden Akkretion von Materie durch das Schwarze Loch.

»Wir wissen im Grunde immer noch nicht genau, worum es sich dabei überhaupt handelt«Daniel Perley, Astronom

Immerhin zeigen die Resultate der Gravitationswellendetektoren LIGO, VIRGO und KAGRA eindeutig, dass es wenigstens Schwarze Löcher mit einigen Hundert Sonnenmassen gibt. Doch sie sollten eher in Regionen existieren, die sich durch einen Mangel an verfügbarem Material auszeichnen. Das passt nicht zur dichten Gas- und Staubhülle, von welcher die Energiequelle schon vor der Explosion umgeben sein sollte.

Möglich wären auch noch kleinere Schwarze Löcher: »Für AT 2024wpp sind sich mittlerweile fast alle ziemlich einig, dass die Daten auf einen massereichen Stern in einem Doppelsystem hindeuten, bei dem vielleicht ein größeres Schwarzes Loch die Hülle eines Sterns abträgt und dann den Kern zerreißt, wodurch das transiente Phänomen entsteht«, sagt Perley. Er betont jedoch, dass für die LFBOTs vor allem Modelle verwendet werden, die eigentlich für andere Phänomene und Systeme entwickelt wurden, bei denen der Ursprung besser verstanden ist. »Wir wissen im Grunde immer noch nicht, worum es sich dabei überhaupt handelt.«

Die Spurensuche geht daher weiter. Zukünftige Himmelsdurchmusterungen, wie sie etwa mit dem Vera C. Rubin Observatory geplant sind, werden sicherlich noch mehr der so seltenen LFBOTs aufspüren. Oder aber wir haben Glück und es leuchtet ein LFBOT direkt in unserer kosmischen Nachbarschaft auf. Dann könnte das Spektakel teilweise sogar räumlich aufgelöst werden, um hinter seine Geheimnisse zu kommen. Perley dazu: »Alles, was näher ist als 65 Millionen Lichtjahre, würde unser Verständnis der LFBOTs revolutionieren.«