Forscher haben herausgefunden, dass schwer fassbare Schwarze Löcher mittlerer Masse in dichten Sternhaufen entstehen könnten, die Zehntausende bis Millionen dicht gepackter Sterne, sogenannte „Kugelsternhaufen“, enthalten.
Ein Schwarzes Loch mittlerer Masse hat eine Masse zwischen 100 und 10.000 Sonnen. Sie sind schwerer als Schwarze Löcher mit Sonnenmasse, die Massen zwischen 10 und 100 Sonnenmassen haben, aber leichter als supermassereiche Schwarze Löcher, deren Massen Millionen oder sogar Millionen entsprechen. Milliarde Sonnen.
Diese kosmischen Vermittler erwiesen sich für Astronomen als schwer zu entdecken, wobei das erste Beispiel im Jahr 2012 entdeckt wurde. Es trägt die Bezeichnung GCIRS 13E, hat eine 1.300-fache Masse der Sonne und befindet sich 26.000 Lichtjahre entfernt, in Richtung des galaktischen Zentrums der milchigen Erde. Weg.
Eines der Geheimnisse rund um Schwarze Löcher mittlerer Masse betrifft ihre Entstehung. Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn massereiche Sterne kollabieren, und supermassive Schwarze Löcher entstehen durch die anschließende Verschmelzung immer größerer Schwarzer Löcher. Doch ein Stern, der massiv genug ist, um zu sterben und ein Schwarzes Loch mit Tausenden von Sonnenmassen zu erzeugen, müsste unglaublich selten sein und hätte Schwierigkeiten, diese Masse zu behalten, wenn er „stirbt“.
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Um dem Geheimnis der Entstehung dieser Schwarzen Löcher mittlerer Masse nachzugehen, führte ein Forscherteam die allererste Stern-für-Stern-Simulation massereicher Cluster durch. Dies zeigte, dass ein „Geburtsnest“ aus ausreichend dichten Molekülwolken von Kugelsternhaufen Sterne erzeugen könnte, die massiv genug sind, um zu kollabieren und ein Schwarzes Loch mittlerer Masse hervorzubringen.
„Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass einige massereiche Sternhaufen, Kugelsternhaufen, ein Schwarzes Loch mittlerer Masse beherbergen“, sagte Teamleiterin und Wissenschaftlerin der Universität Tokio, Michiko Fujii, in einer Erklärung. „Bisher gab es keine überzeugenden theoretischen Beweise für die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse mit 1.000 bis 10.000 Sonnenmassen im Vergleich zu Löchern mit geringerer Masse (Sternmasse) und massereicheren Löchern (supermassiv).“
Ein chaotischer Geburtsort für Schwarze Löcher
Der Begriff „Nest“ kann durchaus Bilder und Gefühle von Wärme, Geborgenheit und Ruhe hervorrufen, doch für die Sternentstehung in Kugelsternhaufen könnte er nicht weniger passend sein.
Diese dicht besiedelten Sternkonglomerate leben in Chaos und Aufruhr, wobei Dichteunterschiede zu Kollisionen und Verschmelzungen von Sternen führen. Dieser Prozess führt dazu, dass die Sterne an Masse zunehmen, wodurch ihre Gravitationseinflüsse zunehmen, mehr Sterne in unmittelbare Nähe gebracht werden und es somit zu immer mehr Verschmelzungen kommt.
Die unkontrollierbaren Kollisions- und Verschmelzungsprozesse, die im Kern von Kugelsternhaufen ablaufen, können zur Entstehung von Sternen mit einer Masse von etwa 1.000 Sonnen führen. Das ist genug Masse, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse zu erzeugen, aber es gibt ein Hindernis.
Astrophysiker wissen, dass ein Großteil ihrer Masse durch Supernova-Explosionen oder Sternwinde weggetragen wird, wenn Sterne kollabieren und dabei Schwarze Löcher entstehen. Frühere Simulationen der Entstehung von Schwarzen Löchern mittlerer Masse haben dies bestätigt, was weiter darauf hindeutet, dass selbst massereiche Sterne mit 1.000 Sonnenmassen irgendwann zu klein werden würden, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse zu erzeugen.
Um herauszufinden, ob ein massereicher Stern mit genügend Masse „überleben“ kann, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse entstehen zu lassen, simulierten Fujii und sein Team die Entstehung eines Kugelsternhaufens.
„Zum ersten Mal haben wir erfolgreich numerische Simulationen der Bildung von Kugelsternhaufen durchgeführt, indem wir einzelne Sterne modelliert haben“, sagte Fujii. „Durch die Auflösung einzelner Sterne mit jeweils einer realistischen Masse konnten wir Sternkollisionen in einer sehr kompakten Umgebung rekonstruieren. Für diese Simulationen haben wir neuen Simulationscode entwickelt, in den wir Millionen von Sternen mit großer Präzision integrieren konnten.“
Im simulierten Kugelsternhaufen führten außer Kontrolle geratene Kollisionen und Verschmelzungen zur Bildung extrem massereicher Sterne, die genug Masse behalten konnten, um zu kollabieren und ein Schwarzes Loch mittlerer Masse entstehen zu lassen.
Das Team fand außerdem heraus, dass die Simulation ein Massenverhältnis zwischen dem Schwarzen Loch mittlerer Masse und dem Kugelsternhaufen, in dem es entstand, vorhersagte. Es stellte sich heraus, dass dieses Verhältnis echten astronomischen Beobachtungen entspricht.
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„Unser ultimatives Ziel ist es, durch die Auflösung einzelner Sterne ganze Galaxien zu simulieren“, erklärte Fujii. „Es ist immer noch schwierig, Galaxien von der Größe der Milchstraße durch die Auflösung einzelner Sterne mit derzeit verfügbaren Supercomputern zu simulieren. Es wäre jedoch möglich, kleinere Galaxien wie Zwerggalaxien zu simulieren.“
Fujii und sein Team wollen auch Sternhaufen ins Visier nehmen, die im frühen Universum entstanden sind. „Frühe Cluster sind auch Orte, an denen Schwarze Löcher mittlerer Masse entstehen können“, sagte sie.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag, 30. Mai, in der Zeitschrift Science veröffentlicht.