Eine der dringendsten Fragen der Astronomie betrifft Schwarze Löcher. Wir wissen, dass massereiche Sterne, die als Supernovae explodieren, schwarze Löcher mit stellarer Masse als Überreste hinterlassen können. Und Astrophysiker verstehen diesen Prozess. Aber was ist mit den supermassiven Schwarzen Löchern (SMBHs) wie dem Sagittarius A-Stern (Sgr A*,) im Herzen der Milchstraße?
SMBHs können eine Milliarde Sonnenmassen haben. Wie werden sie so groß?
Eine Gruppe von Wissenschaftlern am Harvard Center for Astrophysics versucht, diese Frage zu klären. Sie haben eine Simulation im Rahmen der Black Hole Initiative (BHI) erstellt, einer interdisziplinären Anstrengung in Harvard, um das Verständnis von Schwarzen Löchern voranzutreiben.
Die Schlüsselfrage lautet: Wie wachsen Schwarze Löcher? Ist es durch Akkretion oder Fusionen? Es sieht so aus, als ob die Antwort lautet: „Beides. Irgendwie.“
„Schwarze Löcher können auf zwei Arten wachsen.“
Dr. Fabio Pacucci, Harvard Center for Astrophysics
Zwei Wissenschaftler haben ein neues theoretisches Modell entwickelt, um die Frage des Schwarzen Lochs zu beantworten. Es sind Dr. Avi Loeb, Professor in Harvard, und Dr. Fabio Pacucci, Astrophysiker CfA. Beide sind am BHI beteiligt. Ihr Modell deckt das Lokaluniversum bis zur Rotverschiebung 10 ab, also ungefähr vom heutigen Tag bis vor etwa 13 Milliarden Jahren.
Laut ihrer Simulation bestimmen zwei Faktoren das Wachstum von Schwarzen Löchern: ihre Masse und ihre Rotverschiebung .
Die neue Simulation zeigt, dass kleine Schwarze Löcher in unserer Nähe hauptsächlich durch Akkretion wachsen, während große Schwarze Löcher durch Verschmelzungen wachsen. Aber im fernen Universum ist das Gegenteil der Fall: Kleine Schwarze Löcher wachsen durch Verschmelzung, während große durch Akkretion wachsen.
Eine neue Simulation des Wachstums von Schwarzen Löchern zeigt die verschiedenen Arten, wie sie in verschiedenen Szenarien wachsen. Im nahegelegenen Universum wachsen kleine Schwarze Löcher durch Akkretion, während große durch Verschmelzung wachsen. Im fernen Universum ist das Gegenteil der Fall: Kleine wachsen durch Fusionen, während große durch Akkretion wachsen. Bildnachweis: Credit: M. Weiss
In einem Pressemitteilung , erklärte Pacucci es so: „Schwarze Löcher können auf zwei Arten wachsen. Sie können aus dem Raum um sie herum Masse ansammeln oder miteinander verschmelzen und ein weiteres massereiches Schwarzes Loch bilden“, sagte Pacucci. „Wir glauben derzeit, dass sich die ersten Schwarzen Löcher ungefähr mit der ersten Population von Sternen vor über 13,5 Milliarden Jahren gebildet haben.“
„Zu verstehen, wie Schwarze Löcher mit Galaxien entstanden, wachsen und sich gemeinsam entwickelt haben, ist grundlegend für unser Verständnis und Wissen über das Universum, und mit dieser Studie haben wir ein weiteres Puzzlestück.“
Dr. Fabio Pacucci, Harvard Center for Astrophysics
Aber das ist nur der Anfang der Antwort. Es steckt mehr dahinter.
Diese Antwort erklärt nicht im Detail, wie wir von diesen kleineren „Samen“-Schwarzen Löchern zu den massiven Monstrositäten im Herzen der meisten – oder aller – Galaxien gelangen: supermassive Schwarze Löcher.
Pacucci sagt noch mehr: „Wir können ihre Geschichte nicht nur durch die Detektion von Licht, sondern auch durch Gravitationswellen, die Wellen in der Raumzeit, die ihre Verschmelzungen erzeugen, einschränken.“
Ein Schwarzes Loch ist nicht zu verachten. Wenn zwei dieser Monster verschmelzen, senden sie Gravitationswellen aus, seit langem theoretisierte Krümmungen in der Raumzeit, die schließlich entdeckt wurden vor vier Jahren .
Die Arbeit von Pacucci und Loeb beruht auch auf früheren Studien von Schwarzen Löchern, die zeigen, dass Schwarze Löcher, die durch Akkretion wachsen, heller sind als solche, die durch Fusionen wachsen. Das liegt daran, dass sich die Materie bei der Akkretion um das Loch in einer Akkretionsscheibe dreht. Dadurch wird das Material erhitzt und es emittiert Strahlung.
Illustration des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße, umgeben von seiner rotierenden Akkretionsscheibe. Kredit: NRAO/AUI/NSF
„Da die Rotationsgeschwindigkeit oder der Spin grundlegend die Art und Weise beeinflusst, wie die Region um ein Schwarzes Loch herum leuchtet, hilft uns die Untersuchung der Hauptwachstumsmodalität Schwarzer Löcher dabei, ein klareres Bild davon zu erhalten, wie hell diese Quellen sein können. Wir wissen bereits, dass Materie in Richtung des Ereignishorizonts von Schwarzen Löchern fällt und sich mit ihrer Beschleunigung auch erwärmt und dieses Gas beginnt, Strahlung zu emittieren“, sagte Pacucci.
„Je mehr Materie ein Schwarzes Loch ansammelt, desto heller wird es sein; Deshalb können wir weit entfernte Objekte wie supermassereiche Schwarze Löcher beobachten“, so Pacucci weiter. „Sie sind eine Milliarde Mal massereicher als die Sonne und können enorme Strahlungsmengen aussenden, sodass wir sie sogar aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung beobachten können.“
Aber selbst wenn sich das Schwarze Loch in einem Bereich befindet, in dem es an Materie fehlt, die seine Akkretionsscheibe ernähren kann, kann es immer noch durch Galaxienverschmelzungen wachsen. Anstelle einer erhöhten Helligkeit verursachen Verschmelzungen schwarzer Löcher Gravitationswellen.
Eine weitere zentrale Frage bei Schwarzen Löchern betrifft die SMBHs im Zentrum von Galaxien. „Wir glauben, dass jede Galaxie in ihrem Zentrum ein massereiches Schwarzes Loch enthält, das die Bildung von Sternen in ihrem Wirt reguliert“, sagte Pacucci. „Zu verstehen, wie Schwarze Löcher mit Galaxien entstanden, wachsen und sich gemeinsam entwickelt haben, ist grundlegend für unser Verständnis und Wissen über das Universum, und mit dieser Studie haben wir ein weiteres Puzzlestück.“
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern. Im Februar 2016 entdeckte LIGO erstmals Schwerewellen. Wie die Illustration dieses Künstlers zeigt, wurden die Gravitationswellen durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern erzeugt. Die gerade angekündigte dritte Entdeckung entstand ebenfalls, als zwei Schwarze Löcher verschmolzen. Bildnachweis: LIGO/A. Simonnet.
Es ist leicht, skeptisch gegenüber Modellen und ihrem Wert zu sein. Aber wissenschaftliche Modellierung ist bei der Planung von entscheidender Bedeutung. In diesem Fall bietet es einen theoretischen Rahmen, der weiter untersucht werden kann, und bietet auch eine Anleitung, wie man Dinge in Zukunft beobachten kann. Und dieses Modell wurde bereits teilweise mit guten Ergebnissen getestet.
„Wir haben unser Modell bereits mit Daten von nahegelegenen Schwarzen Löchern getestet und sehr ermutigende Ergebnisse erhalten“, sagte Pacucci. „Unser Ziel in dieser Studie war es, der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Theorie zu liefern, die beschreibt, wie Schwarze Löcher während der Evolution des Universums gewachsen sein könnten. Dies wird Entscheidungen über Beobachtungsstrategien mit zukünftigen Weltraumteleskopen treffen und die Grundlage für Modelle legen, die andere Aspekte der Entwicklung des Universums beschreiben.“
Eines dieser zukünftigen Weltraumteleskope ist LISA – das Laser-Interferometer-Weltraumantenne . LISA ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Erkennung und Messung von Gravitationswellen. LISA wird ein Drei-Raumfahrzeug-System sein, das ein Dreieck mit einer Länge von jeweils 2,5 Millionen Kilometern (1,55 Millionen Meilen) bildet. Der Abstand zwischen den dreien wird genau kontrolliert. Alle Gravitationswellen würden von den Lasern erkannt, die die Seiten des Dreiecks bilden.
Eine Illustration der ESA-Raumsonde LISA, die Gravitationswellen von Verschmelzungen schwarzer Löcher und anderen Ereignissen erkennen soll. Bildnachweis: Von der NASA – NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10372273
Die Zukunft sieht rosig aus im Bereich der Schwarzen Löcher. Wissenschaftler entdecken immer mehr Fusionen. Die Event Horizon Teleskop vor kurzem zum ersten Mal abgebildet. Schließlich werden wir besser verstehen, welche Rolle SMBHs bei der Sternentstehung in ihren Galaxien spielen. Wir können auch besser verstehen, wie sie verschmelzen und wie sie so massiv werden.
Auch Loeb blickt optimistisch in die Zukunft. „Wir finden überraschend große ‚Babys‘ in den kosmischen Kinderzimmern von Schwarzen Löchern, aber in den kommenden Jahrzehnten werden wir herausfinden, wer ihre Eltern waren.“