Wie haben supermassive Schwarze Löcher bereits kurz nach dem Urknall leistungsstarke Jets gebildet und freigesetzt?

In den letzten Jahrzehnten konnten Astronomen weiter in das Universum (und auch in die Zeit zurück) blicken, fast bis zu den Anfängen des Universums. Dabei haben sie viel über einige der frühesten Galaxien im Universum und ihre spätere Entwicklung gelernt. Es gibt jedoch immer noch einige Dinge, die noch verboten sind, beispielsweise wenn Galaxien mit Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) und massive Jets erschienen zuerst.

Nach neuesten Studien der International School for Advanced Studies (SISSA) und ein Team von Astronomen aus Japan und Taiwan liefern neue Erkenntnisse darüber, wie sich nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall supermassereiche Schwarze Löcher und weniger als 2 Milliarden Jahre später relativistische Jets zu bilden begannen. Diese Ergebnisse sind Teil eines wachsenden Falls, der zeigt, wie sich massereiche Objekte in unserem Universum früher gebildet haben, als wir dachten.

Astronomen kennen SMBHs seit über einem halben Jahrhundert. Mit der Zeit erkannten sie, dass die meisten massereichen Galaxien (einschließlich der Milchstraße) sie in ihrem Kern haben. Ihre Rolle bei der Entwicklung von Galaxien wurde ebenfalls untersucht, wobei moderne Astronomen zu dem Schluss kamen, dass sie in direktem Zusammenhang mit der Sternentstehungsrate in Galaxien stehen.

In ähnlicher Weise haben Astronomen herausgefunden, dass SMBHs enge Akkretionsscheiben um sich herum haben, in denen Gas und Staub auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dadurch wird das Zentrum einiger Galaxien so hell – sogenannte aktive galaktische Kerne (AGNs) – dass sie die Sterne in ihren Scheiben überstrahlen. In einigen Fällen führen diese Akkretionsscheiben auch zu heißen Materialstrahlen, die aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung zu sehen sind.

Nach herkömmlichen Modellen hatten Galaxien nicht genug Zeit, um zentrale Schwarze Löcher zu entwickeln, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war (vor ca. 13 Milliarden Jahren). Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass sich zu dieser Zeit bereits Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien bildeten. Um dieses Problem anzugehen, schlug ein Team von Wissenschaftlern der SISSA ein neues Modell vor, das eine mögliche Erklärung bietet.

Für ihre Studie, die von Lumen Boco – einem Ph.D. Schüler aus der Institut für Fundamentale Physik des Universums (IFPU) – begann das Team mit der bekannten Tatsache, dass SMBHs in den zentralen Regionen früher Galaxien wachsen. Diese Objekte, die heutigen Vorläufer elliptischer Galaxien, hatten eine sehr hohe Gaskonzentration und eine extrem hohe Rate neuer Sternentstehungen.

Die ersten Generationen von Sternen in diesen Galaxien waren kurzlebig und entwickelten sich schnell zu relativ kleinen, aber bedeutenden Schwarzen Löchern. Das dichte Gas, das sie umgab, führte zu erheblicher dynamischer Reibung und ließ sie schnell in das Zentrum der Galaxie wandern. Hier verschmolzen sie, um die Saat supermassereicher Schwarzer Löcher zu schaffen – die im Laufe der Zeit langsam wuchsen.

Künstlerische Darstellung der Bahn des Sterns S2, während er sehr nahe am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiführt. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Wie das Forschungsteam in der jüngsten SISS . erklärte Pressemitteilung :

„Nach klassischen Theorien wächst im Zentrum einer Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch, das die umgebende Materie, hauptsächlich Gas, einfängt, auf sich selbst „wächst“ und schließlich in einem Rhythmus proportional zu seiner Masse verschlingt. Aus diesem Grund ist das Wachstum in den Anfangsphasen seiner Entwicklung, wenn die Masse des Schwarzen Lochs gering ist, sehr langsam. In dem Maße, in dem den Berechnungen zufolge eine sehr lange Zeit benötigt würde, um die beobachtete Masse, die das Milliardenfache der Sonnenmasse beträgt, zu erreichen, sogar noch länger als das Alter des jungen Universums.“

Das ursprüngliche mathematische Modell, das sie entwickelten, zeigte jedoch, dass der Entstehungsprozess für zentrale Schwarze Löcher in seinen Anfangsphasen sehr schnell sein könnte. Dies bietet nicht nur eine Erklärung für die Existenz von SMBH-Samen im frühen Universum, sondern bringt auch den Zeitpunkt ihres Wachstums mit dem bekannten Alter des Universums in Einklang.

Kurz gesagt, ihre Studie zeigte, dass der Prozess der Migration und Verschmelzung früher schwarzer Löcher in nur 50 bis 100 Millionen Jahren zur Bildung eines SMBH-Samens von 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen führen kann. Als Team erklärt :

„[D]ie Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs gemäß der oben erwähnten direkten Gasakkretion, die von der Standardtheorie vorgesehen ist, wird sehr schnell sein, weil die Menge an Gas, die es anziehen und absorbieren wird, immens wird und vorherrscht auf das von uns vorgeschlagene Verfahren. Dennoch beschleunigt gerade die Tatsache, von einem so großen Saat auszugehen, wie es unser Mechanismus vorsieht, das globale Wachstum des supermassiven Schwarzen Lochs und ermöglicht seine Entstehung auch im Young Universe. Kurz gesagt, angesichts dieser Theorie können wir sagen, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher bereits 800 Millionen Jahre nach dem Urknall den Kosmos bevölkern könnten.“

Das Team schlug nicht nur ein Arbeitsmodell für beobachtete SMBH-Samen vor, sondern schlug auch eine Methode zum Testen vor. Auf der einen Seite sind da die Gravitationswellen, die diese Verschmelzungen verursachen würden, die mit Gravitationswellendetektoren wie Fortgeschrittene LIGO / Jungfrau und geprägt von der Zukunft Einstein-Teleskop .

Darüber hinaus könnten die nachfolgenden Entwicklungsphasen von SMBHs durch Missionen wie die der ESA untersucht werden Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA), die voraussichtlich um 2034 auf den Markt kommen soll. In ähnlicher Weise hat kürzlich ein anderes Astronomenteam die Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA), um ein weiteres Rätsel um Galaxien zu lösen, weshalb einige Jets haben und andere nicht.

Diese sich schnell bewegenden Ströme ionisierter Materie, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten (einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) fortbewegen, wurden beobachtet, wie sie vom Zentrum einiger Galaxien ausgehen. Diese Jets wurden mit der Sternentstehungsrate einer Galaxie in Verbindung gebracht, weil sie Materie ausstoßen, die sonst kollabieren würde, um neue Sterne zu bilden. Mit anderen Worten, diese Jets spielen eine Rolle bei der Entwicklung von Galaxien, ähnlich wie SMBHs.

Aus diesem Grund haben Astronomen versucht, mehr darüber zu erfahren, wie Schwarze-Loch-Jets und Gaswolken im Laufe der Zeit interagiert haben. Leider war es im frühen Universum schwierig, diese Art von Wechselwirkungen zu beobachten. Verwendung der Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA) ist es einem Team von Astronomen gelungen, das erste aufgelöste Bild von gestörten Gaswolken zu erhalten, die von einem sehr weit entfernten Quasar kommen.

Rekonstruierte Bilder von MG J0414+0534, die Emissionen von Staub und ionisiertem Gas um einen Quasar (rot) und Kohlenmonoxidgas (grün) zeigen, die entlang der Jets eine bipolare Struktur aufweisen. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue et al.

Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, unter der Leitung von Prof. Kaiki Taro Inoue von der Kindai University, erschien kürzlich in der Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe .Wie Inoue und seine Kollegen erklärten, zeigten die ALMA-Daten junge bipolare Jets, die von MG J0414+0534 ausgingen, einem Quasar, der sich etwa 11 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Diese Ergebnisse zeigen, dass Galaxien mit SMBHs und Jets existierten, als der Urknall weniger als 3 Milliarden Jahre alt war.

Neben ALMA verließ sich das Team auf eine Technik, die als . bekannt ist Gravitationslinsen , wo die Schwerkraft einer dazwischen liegenden Galaxie das Licht eines entfernten Objekts verstärkt. Dank dieses „kosmischen Teleskops“ und der hohen Auflösung von ALMA konnte das Team die gestörten Gaswolken um MG J0414+0534 beobachten und feststellen, dass sie von jungen Jets verursacht wurden, die von einem SMBH im Zentrum der Galaxie ausgingen.

Wie Kouichiro Nakanishi, ein außerordentlicher Projektprofessor am National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI, in einem ALMA Pressemitteilung :

„Durch die Kombination dieses kosmischen Teleskops und der hochauflösenden Beobachtungen von ALMA haben wir eine außergewöhnlich scharfe Sicht erhalten, die 9.000 Mal besser ist als die menschliche Sehkraft. Mit dieser extrem hohen Auflösung konnten wir die Verteilung und Bewegung von Gaswolken um Jets herum bestimmen, die von einem supermassereichen Schwarzen Loch ausgestoßen wurden.“

Diese Beobachtungen zeigten auch, dass das Gas dort aufprallte, wo es der Richtung der Jets folgte, wodurch sich die Partikel heftig bewegten und auf Geschwindigkeiten von bis zu 600 km/s (370 mps) beschleunigt wurden. Darüber hinaus waren diese aufgeprallten Gaswolken und die Jets selbst viel kleiner als die Größe einer typischen Galaxie in diesem Alter.

Künstlerische Darstellung von MG J0414+0534, die die starken Jets zeigt, die das umgebende Gas in der Wirtsgalaxie stören. Kredit: Universität Kindai

Daraus schloss das Team, dass es eine sehr frühe Phase der Jet-Evolution in der MG J0414+0534-Galaxie erlebte. Wenn dies zutrifft, ermöglichten diese Beobachtungen dem Team, einen wichtigen Evolutionsprozess in Galaxien während des frühen Universums mitzuerleben. Als Inou zusammengefasst :

„MG J0414+0534 ist wegen der Jugend der Jets ein hervorragendes Beispiel. Wir fanden verräterische Beweise für eine signifikante Wechselwirkung zwischen Jets und Gaswolken sogar in der sehr frühen Evolutionsphase von Jets. Ich denke, dass unsere Entdeckung den Weg für ein besseres Verständnis des Evolutionsprozesses von Galaxien im frühen Universum ebnen wird.“

Zusammen zeigen diese Studien, dass zwei der stärksten astronomischen Phänomene im Universum früher als erwartet auftraten. Diese Entdeckung bietet Astronomen auch die Möglichkeit, zu untersuchen, wie sich diese Phänomene im Laufe der Zeit entwickelt haben und welche Rolle sie bei der Entwicklung des Universums gespielt haben.

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