Astronomen sehen Beweise für die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher direkt im frühen Universum

Supermassive Schwarze Löcher (SMBH) sind schwer zu erklären. Man nimmt an, dass diese gigantischen Singularitäten im Zentrum jeder großen Galaxie liegen (unsere Milchstraße hat eine), aber ihre Anwesenheit dort lässt sich manchmal nicht leicht erklären. Soweit wir wissen, entstehen Schwarze Löcher, wenn Riesensterne kollabieren. Aber diese Erklärung passt nicht zu allen Beweisen.

Die Sternkollaps-Theorie erklärt die meisten Schwarzen Löcher gut. Nach dieser Theorie geht einem Stern, der mindestens fünfmal so massereich ist wie unsere Sonne, gegen Ende seiner Lebensdauer der Treibstoff aus. Da der nach außen gerichtete Druck der Kernfusion eines Sterns ihn gegen die nach innen gerichtete Schwerkraft seiner eigenen Masse stützt, muss etwas nachgeben, wenn der Brennstoff ausgeht.

Der Stern durchläuft eine Hypernova-Explosion und kollabiert dann in sich selbst. Zurück bleibt ein Schwarzes Loch. Astrophysiker glauben, dass SMBHs auf diese Weise beginnen und zu ihrer enormen Größe heranwachsen, indem sie sich im Wesentlichen von anderer Materie „ernähren“. Sie schwellen an Größe an und sitzen im Zentrum ihrer Schwerkraft wie eine Spinne, die mitten in ihrem Netz dick wird.

Das Problem mit dieser Erklärung ist, dass es lange dauert, bis es passiert.

Diese künstlerische Darstellung zeigt die Umgebung eines supermassiven Schwarzen Lochs, das typisch für das Herz vieler Galaxien ist. Das Schwarze Loch selbst ist von einer brillanten Akkretionsscheibe aus sehr heißem, einfallendem Material und weiter außen von einem staubigen Torus umgeben. An den Polen des Schwarzen Lochs werden auch oft Hochgeschwindigkeits-Materialstrahlen ausgestoßen, die sich über große Entfernungen in den Weltraum erstrecken können. Bildnachweis: Von ESO/L. Calçada – ESO-Website, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39626793

Da draußen im Universum haben Wissenschaftler SMBHs beobachtet, die uralt sind. Im März dieses Jahres eine Gruppe von Astronomen kündigte die Entdeckung an von 83 SMBHs, die so alt sind, dass sie sich unserem Verständnis widersetzten. Im Jahr 2017 Astronomen entdeckt ein Schwarzes Loch mit 800 Millionen Sonnenmasse, das nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall vollständig gebildet wurde. Sie entstanden in den frühen Tagen des Universums, bevor es Zeit gab, in ihre supermassiven Formen zu wachsen.

Viele dieser SMBHs sind milliardenfach massereicher als die Sonne. Sie haben so hohe Rotverschiebungen, dass sie in den ersten 800 Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden sein müssen. Aber das ist nicht genug Zeit für das Sternkollaps-Modell, um sie zu erklären. Die Frage, die sich Astrophysiker stellt, lautet: Wie konnten diese Schwarzen Löcher in so kurzer Zeit so groß werden?

Ein Forscherpaar der Western University in Ontario, Kanada, glaubt, es herausgefunden zu haben. Sie haben eine neue Theorie namens 'direkter Kollaps', die diese unglaublich alten SMBHs erklärt.

Ihr Papier trägt den Titel „ Die Massenfunktion supermassereicher Schwarzer Löcher im Direktkollaps-Szenario “ und ist veröffentlicht in Die Briefe des Astrophysikalischen Journals . Die Autoren sind Shantanu Basu und Arpan Das. Basu ist ein anerkannter Experte in den frühen Stadien der Sternentstehung und der Entwicklung protoplanetarer Scheiben. Außerdem ist er Professor für Astronomie an der Western University. Das ist auch vom Western Department of Physics and Astronomy.

Die SMBH in diesem Bild des Subaru-Teleskops ist 13,05 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Diese alten SMBHs haben unser Verständnis der Entstehung von Schwarzen Löchern in Frage gestellt. Bildquelle: Nationales Astronomisches Observatorium von Japan (NAOJ).

Ihre Theorie des direkten Kollapses besagt, dass sich die alten supermassiven Schwarzen Löcher in sehr kurzer Zeit extrem schnell gebildet haben. Dann hörten sie plötzlich auf zu wachsen. Sie entwickelten ein neues mathematisches Modell, um diese schnell entstehenden, alten Schwarzen Löcher zu erklären. Sie sagen die Eddington-Grenze , das ein Gleichgewicht zwischen der nach außen gerichteten Strahlungskraft eines Sterns und der nach innen gerichteten Gravitationskraft ist, spielt eine Rolle.

In diesen direkt kollabierenden Schwarzen Löchern reguliert die Eddington-Grenze das Massenwachstum, und die Forscher sagen, dass diese alten Schwarzen Löcher diese Grenze sogar um einen kleinen Betrag überschreiten können, was sie Super-Eddington-Akkretion nennen. Dann wurde ihre Produktion aufgrund der Strahlung anderer Sterne und Schwarzer Löcher gestoppt.

„Supermassive Schwarze Löcher hatten nur eine kurze Zeit, in der sie schnell wachsen konnten, und dann kam ihre Produktion irgendwann aufgrund der ganzen Strahlung im Universum, die von anderen Schwarzen Löchern und Sternen erzeugt wurde, zum Erliegen“, erklärt Basu in ein Pressemitteilung . 'Das ist das Szenario mit direktem Kollaps.'

„Dies ist ein indirekter Beobachtungsbeweis dafür, dass Schwarze Löcher von direkten Kollaps und nicht von stellaren Überresten stammen“, sagte Basu.

Diese neue Theorie liefert eine effektive Erklärung für das, was in der Astronomie seit einiger Zeit ein heikles Thema war. Basu glaubt, dass diese neuen Ergebnisse mit zukünftigen Beobachtungen verwendet werden können, um auf die Entstehungsgeschichte der extrem massereichen Schwarzen Löcher zu schließen, die zu sehr frühen Zeiten in unserem Universum existieren.

Quellen:

• Pressemitteilung: Forscher beleuchten die Ursprünge des Schwarzen Lochs
• Forschungsbericht: Die Massenfunktion supermassereicher Schwarzer Löcher im Direktkollaps-Szenario
• Universum heute: Zu groß, zu früh. Monster Black Hole kurz nach dem Urknall gesehen
• Princeton Universität: Astronomen entdecken 83 supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum
• Wikipedia: Eddington-Leuchtkraft (Grenze)