Woher kommen sie, diese betörenden Singularitäten, die Astrophysiker – und den Rest von uns – durcheinander bringen. Klar, wir verstehen die Prozesse dahinter Schwarze Löcher mit stellarer Masse , und wie sie durch den Gravitationskollaps eines Sterns entstehen.
Aber was ist mit den atemberaubenden Giganten im Zentrum von Galaxien, diesen supermassiven Schwarzen Löchern (SMBH), die milliardenfach massereicher werden können als unsere Sonne?
Wie werden sie so groß?
Es ist ziemlich klar, dass SMBHs nicht so massiv anfangen. Sie müssen wachsen. Und im Großen und Ganzen gibt es nur zwei Möglichkeiten: Es entsteht ein massiver Vorläuferstern, der im Laufe der Zeit durch Fusionen und Konsum massiv genug wird, um eines Tages ein SMBH zu sein.
Das Problem ist, dass Studien zeigen, dass die Bedingungen für die Bildung dieser massiven Vorläufer selten sind und die große Anzahl von SMBHs, die Astronomen dort draußen sehen, nicht erklären können: eine im Zentrum jeder großen Galaxie.
Die Autoren eines neuen Papiers glauben, dass sie es mit einem leistungsstarken Supercomputer herausgefunden haben.
„Unser neues Modell ist in der Lage, den Ursprung von mehr Schwarzen Löchern zu erklären als die bisherigen Studien…“
Kazuyuki Omukai, Co-Autor, Universität Tohoku
Das Papier trägt den Titel „ Supermassive Sternentstehung durch superkompetitive Akkretion in leicht metallangereicherten Wolken. ” Hauptautor des Artikels ist Sunmyon Chon, ein Postdoktorand der Japan Society for the Promotion of Science und der Tohoku University. Das Papier wird in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
Eines der Probleme bei supermassiven Schwarzen Löchern ist, dass es so viele davon gibt. Astronomen sind sich ziemlich sicher, dass es eine im Zentrum aller großen Galaxien gibt. Wie gelangen wir von einem kollabierten Stern zu etwas so außergewöhnlich Massivem?
Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA hat dieses atemberaubende Infrarotbild des Zentrums der Milchstraße aufgenommen, in dem sich das Schwarze Loch Sagitarrius A* befindet. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Die Autoren dieser neuen Studie schlagen vor, dass sich die Sterne, die die Vorläufer von SMBHs sind, unter mehr Bedingungen bilden können als bisher angenommen. Ihre Theorie besagt, dass diese Vorläufersterne nicht nur durch die Akkretion von interstellarem Gas wachsen, sondern auch durch das Verschlucken anderer, kleinerer Sterne.
„Unser neues Modell ist in der Lage, den Ursprung von mehr Schwarzen Löchern zu erklären als die vorherigen Studien, und dieses Ergebnis führt zu einem einheitlichen Verständnis des Ursprungs supermassereicher Schwarzer Löcher“, sagt Kazuyuki Omukai, Co-Autor der Studie und Professor at Tohoku-Universität.
Alles beginnt in massiven Wolken aus interstellarem Gas. In diesen Wolken können sich massereiche Sterne bilden, die durch die Eigengravitation kollabieren. Diese Vorläufersterne können sich schließlich zu SMBHs entwickeln.
Der in dieser neuen Studie verwendete Supercomputer ATERUI 2 gehört dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Es hat 40.200 Kerne und kann mit über 3 Petaflops arbeiten. Bildquelle: NAOJ
Aber es gibt ein Problem damit. Studien haben gezeigt, dass das direkte Kollaps-Szenario nur in Wolken mit geringer Metallizität stattfinden kann und keine Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium enthalten. Das Vorhandensein schwererer Elemente wie Sauerstoff und Kohlenstoff verändert die Dynamik der Gaswolke. Die Metalle kühlen die Gaswolke, und wenn das Gas selbst kollabiert, zerfällt es in kleinere Wolken. Diese kleineren Wolken führen dann zur Bildung kleinerer Sterne und nicht zu einem Stern, der massereich genug ist, um der Vorläufer eines SMBH zu sein.
Der direkte Kollaps dieser Wolken aus reinem Gas kann also nicht alle SMBHs erklären, die wir im Zentrum von Galaxien sehen.
Chons Team setzte einen leistungsstarken Supercomputer ein, um diese Frage anzugehen. Der Computer heißt „ATERUI II“ und wird vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) betrieben. Das Team führte langfristige „hochauflösende 3D-Simulationen durch, um die Möglichkeit zu testen, dass sich supermassive Sterne selbst in mit schweren Elementen angereichertem Gas bilden könnten“, wie es in a . heißt Pressemitteilung.
Ein Bild aus der ATERUI 2-Simulation von Schwarzen Löchern. Die schwarzen Punkte in der Mitte der Figur stellen massereiche Sterne dar, von denen angenommen wird, dass sie sich mit der Zeit zu einem Schwarzen Loch entwickeln. Die weißen Punkte stellen Sterne dar, die kleiner als 10 Sonnenmasse sind und durch die Fragmentierung der Gaswolke entstanden sind. Viele der kleineren Sterne verschmelzen mit den supermassereichen Sternen im Zentrum, wodurch die massereichen Sterne effizient wachsen können.
KREDIT: Sunmyon Chon
Frühere Studien waren laut dieser Simulation teilweise richtig. Die massiven Gaswolken fragmentieren immer noch, wenn genügend Metallität vorhanden ist, um sie zu kühlen, was zur Bildung vieler kleinerer Sterne führt. Chons Simulation zeigt jedoch, dass die Fragmentierung nicht ausreicht, um die Bildung massereicher Vorläufersterne zu verhindern.
Ihre Arbeit zeigt, dass ein starker Gasstrom zum Zentrum der Wolke die kleineren Sterne anzieht, um von den massereichen Sternen im Zentrum verschluckt zu werden. Auf diese Weise können hochmetallische Gaswolken trotz der Fragmentierung der Wolke und der Bildung kleinerer Sterne immer noch Sterne bilden, die massiv genug sind, um die Vorläufer für SMBHs zu sein. Sie werden zum Teil durch Kannibalisierung der kleineren Sterne massiv genug.
Eine weitere Zahl aus der Studie. Dieser zeigt, durch welchen Mechanismus die massereichen Vorläufersterne ihre Masse erhalten haben. Der rote Bereich steht für Wachstum durch Gasakkretion, der grüne für Massenwachstum durch Verschmelzung mit massereichen Sternen mit mehr als 100 Sonnenmassen und blau für Wachstum durch Verschmelzung mit kleineren Sternen mit weniger als 100 Sonnenmassen. Bildquelle: Chon et al., 2020.
„Dies ist das erste Mal, dass wir die Bildung eines so großen Vorläufers eines Schwarzen Lochs in mit schweren Elementen angereicherten Wolken gezeigt haben. Wir glauben, dass der so entstandene Riesenstern weiter wachsen und sich zu einem riesigen Schwarzen Loch entwickeln wird“, sagt Chon.
Chons Simulation führte auch zur Bildung eines Sterns, der 10.000 Mal massereicher war als unsere Sonne. Ein so massiver Stern ist sicherlich groß genug, um der Stammvater eines SMBH zu sein.
Diese Zahl aus der Studie zeigt das Wachstum von Vorläufersternen vom Moment des Kollapses bis zu 300- und 600-Jahres-Intervallen. Die verschiedenen Reihen repräsentieren unterschiedliche Konzentrationen der Metallizität in der Simulation. Die obere Reihe stellt Wolken ohne Metallizität dar, wobei die Metallizität zunimmt, wenn wir uns in jeder Reihe nach unten bewegen. Im Gegensatz zu früheren Studien zeigte diese Simulation, dass sich auch aus Gaswolken mit höherer Metallizität noch massereiche Vorläufersterne bilden können. Schwarze Punkte stehen für massereiche Sterne, während weiße Punkte kleinere Sterne darstellen. Bildquelle: Chon et al., 2020.
Wie die Autoren in ihrer Arbeit schreiben: „Auch wenn Fragmente produziert werden“
durch die Staubkühlung bewegen sie sich mit dem einströmenden Gas und verschmelzen schließlich mit den Zentralsternen. Aus diesem Grund ist das primäre stellare Massenwachstum fast unabhängig von der Wolkenmetallizität…“
Riesensterne sind die Vorläufer für SMBHs, die wir in fast allen großen Galaxien sehen. Diese Studie zeigt durch leistungsstarke Simulation, dass sich diese Vorläufersterne leichter in Gaswolken mit größerer Metallizität bilden können, als frühere Arbeiten zeigen.
Wenn es einer wissenschaftlicheren Prüfung standhält, haben wir vielleicht unsere Antwort auf eine der zwingendsten Fragen der Astronomie: Woher kommen die riesigen supermassiven Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien?
Als nächstes: Welche Wirkung haben diese Monster auf die Galaxien, die sie beherbergen?
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