Wie sind supermassive Schwarze Löcher entstanden? Kollabierende Halos aus dunkler Materie können sie erklären

Wir verstehen nicht ganz, wie sich die ersten supermassiven Schwarzen Löcher im jungen Universum so schnell gebildet haben. Ein Team von Physikern schlägt also eine radikale Idee vor. Anstatt Schwarze Löcher durch die übliche Todes-von-einem-massiven-Start-Route zu bilden, kollabierten stattdessen riesige Halos aus Dunkler Materie direkt und bildeten die Saat der ersten großen Schwarzen Löcher.

Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) tauchen auf früh in der Geschichte des Universums , nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Dieses schnelle Erscheinen stellt eine Herausforderung für konventionelle Modelle der Geburt und des Wachstums von SMBH dar, da es nicht so aussieht, als ob sie genug Zeit haben können, um so schnell so massiv zu wachsen.

„Physiker sind verwirrt, warum SMBHs im frühen Universum, die sich in den zentralen Regionen von Halos aus Dunkler Materie befinden, in kurzer Zeit so massiv wachsen“, sagte Hai-Bo Yu , außerordentlicher Professor der Physik und Astronomie an der UC Riverside, der a lernen der SMBH-Formation, die in Astrophysical Journal Letters erschienen. „Es ist wie bei einem 5-jährigen Kind, das beispielsweise 200 Pfund wiegt. Ein solches Kind würde uns alle in Erstaunen versetzen, denn wir kennen das typische Gewicht eines Neugeborenen und wissen, wie schnell dieses Baby wachsen kann. Wenn es um Schwarze Löcher geht, haben Physiker allgemeine Erwartungen an die Masse eines schwarzen Lochs und seine Wachstumsrate. Das Vorhandensein von SMBHs deutet darauf hin, dass diese allgemeinen Erwartungen verletzt wurden und neue Erkenntnisse erforderlich sind. Und das ist spannend.“

Anstatt also zu versuchen, aus dem Tod massereicher Sterne schwarze Löcher zu formen, dann zu versuchen, sie dazu zu bringen genug Material ansammeln um zum SMBH-Status zu gelangen, hat sie vielleicht etwas anderes – Halos aus dunkler Materie – geformt.

„Unsere Arbeit liefert eine alternative Erklärung: Ein selbstinteragierender Halo aus dunkler Materie erfährt eine graviothermale Instabilität und seine zentrale Region kollabiert zu einem schwarzen Saatloch“, sagte Yu.

Es gibt schon viel dunkle Materie im frühen Universum. Es macht über 80% der gesamten Materie im Kosmos aus, und die ersten Galaxien wuchsen in viel größeren Klumpen dunkler Materie oder Halos. Damit Dunkle Materie jedoch genug kollabieren kann, um ein Schwarzes Loch zu bilden, muss sie mit sich selbst wechselwirken. Auf diese Weise kann es die gesamte kinetische Energie verlieren, die beim Kollabieren gewonnen wird, wodurch es eine ausreichende Dichte erreicht, um die Bildung eines Schwarzen Lochs auszulösen.

Da dieses Schwarze Loch aus viel mehr Material als einem Stern geboren würde, wäre es bereits auf dem besten Weg, supermassiv zu werden.

„Der Vorteil unseres Szenarios besteht darin, dass die Masse des Saat-Schwarzen Lochs hoch sein kann, da es durch den Kollaps eines Halos aus dunkler Materie entsteht“, sagte Yu. „So kann es in relativ kurzer Zeit zu einem supermassiven Schwarzen Loch heranwachsen.“

In diesem Modell erledigen Halos aus dunkler Materie nicht die ganze Arbeit. Auch Baryonen – normale Materie – helfen.

„Erstens zeigen wir, dass die Anwesenheit von Baryonen wie Gas und Sternen den Ausbruch des graviothermalen Kollaps eines Halos erheblich beschleunigen kann und ein schwarzes Saatloch früh genug geschaffen werden könnte“, sagte Wei-Xiang Feng, Yus Doktorand und ein Co-Autor auf dem Papier. „Zweitens zeigen wir, dass die Selbstinteraktionen eine Viskosität induzieren können, die den Drehimpulsrest des zentralen Halos zerstreut. Drittens entwickeln wir eine Methode, um die Bedingung für das Auslösen der allgemeinen relativistischen Instabilität des kollabierten Halos zu untersuchen, die sicherstellt, dass sich ein schwarzes Loch bilden könnte, wenn die Bedingung erfüllt ist.“

„In vielen Galaxien dominieren Sterne und Gas ihre zentralen Regionen“, sagte Yu. „Daher ist es natürlich zu fragen, wie sich die Anwesenheit dieser baryonischen Materie auf den Kollapsprozess auswirkt. Wir zeigen, dass es den Beginn des Zusammenbruchs beschleunigen wird. Dieses Merkmal ist genau das, was wir brauchen, um den Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum zu erklären. Die Selbstwechselwirkungen führen auch zu einer Viskosität, die den Drehimpuls des zentralen Halos abbauen und den Kollapsvorgang weiter unterstützen kann.“