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Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Das Gespräch. Die Veröffentlichung trug zum Space.com-Artikel bei Expertenstimmen: Leitartikel und Reflexionen. Fan Zou ist ein Doktorand an der Penn State University W. Neil Brandt ist Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State.
Schwarze Löcher sind bemerkenswerte astronomische Objekte, deren Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Die gigantischsten von ihnen, „supermassiv“ genannt, können das Millionen- oder sogar Milliardenfache der Sonnenmasse wiegen.
Diese Riesen leben im Allgemeinen in den Zentren von Galaxien. Auch unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, hat in ihrem Herzen ein supermassereiches Schwarzes Loch.
Wie werden diese supermassiven Schwarzen Löcher supermassiv? Um diese Frage zu beantworten, reiste unser Team von Astrophysikern durch die 13,8 Milliarden Jahre alte Geschichte des Universums zurück, um das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher von den Anfängen bis heute zu verfolgen.
Wir haben ein Modell der globalen Wachstumsgeschichte supermassiver Schwarzer Löcher über die letzten 12 Milliarden Jahre erstellt.
Wie entstehen supermassereiche Schwarze Löcher?
Supermassereiche Schwarze Löcher wachsen hauptsächlich auf zwei Arten. Sie können in einem Prozess namens Akkretion Gas aus ihren Muttergalaxien verbrauchen und auch miteinander verschmelzen, wenn zwei Galaxien kollidieren.
Wenn supermassive Schwarze Löcher Gas verbrauchen, emittieren sie fast immer intensive Röntgenstrahlung, eine Art hochenergetisches Licht, das für das bloße Auge unsichtbar ist. Sie haben wahrscheinlich schon von Röntgenaufnahmen beim Zahnarzt gehört, wo diese manchmal zur Untersuchung Ihrer Zähne eingesetzt werden. Die von Astronomen verwendeten Röntgenstrahlen haben im Allgemeinen niedrigere Energien als medizinische Röntgenstrahlen.
Wie kann Licht, sogar unsichtbare Röntgenstrahlung, aus Schwarzen Löchern entweichen? Streng genommen kommt das Licht nicht von den Schwarzen Löchern selbst, sondern vom Gas direkt außerhalb. Wenn Gas von einem Schwarzen Loch angezogen wird, erwärmt es sich und erzeugt Licht, ähnlich wie Röntgenstrahlen. Je mehr Gas ein supermassereiches Schwarzes Loch verbraucht, desto mehr Röntgenstrahlen erzeugt es.
Mit den über mehr als 20 Jahre gesammelten Daten von drei der leistungsstärksten Röntgenanlagen, die jemals ins All gebracht wurden – Chandra,
Mithilfe dieser Daten kann unser Forschungsteam die Geschwindigkeit abschätzen, mit der supermassereiche Schwarze Löcher durch den Verbrauch von Gas wachsen. Im Durchschnitt kann ein supermassereiches Schwarzes Loch jedes Jahr so viel Gas verbrauchen, dass es etwa die Masse der Sonne hat, wobei der genaue Wert von verschiedenen Faktoren abhängt.
Daten zeigen beispielsweise, dass die über Millionen von Jahren gemittelte Wachstumsrate eines Schwarzen Lochs stark von der Masse aller Sterne in seiner Muttergalaxie abhängt.
Wie oft verschmelzen supermassereiche Schwarze Löcher?
Supermassive Schwarze Löcher ernähren sich nicht nur von Gas, sondern können auch wachsen, indem sie bei der Kollision von Galaxien miteinander zu einem einzigen, massereicheren Schwarzen Loch verschmelzen.
Mithilfe von Supercomputern durchgeführte kosmologische Simulationen ermöglichen es, die Häufigkeit des Auftretens dieser Ereignisse vorherzusagen. Ziel dieser Simulationen ist es, das Wachstum und die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit zu modellieren. Die unzähligen Galaxien, die durch den Weltraum fliegen, sind wie Bausteine, aus denen das Universum besteht.
Diese Simulationen zeigen, dass Galaxien und die darin enthaltenen supermassiven Schwarzen Löcher im Laufe der kosmischen Geschichte mehrfach verschmelzen können.
Unser Team verfolgte diese beiden Wachstumskanäle – Gasverbrauch und Fusionen – mithilfe von Röntgenstrahlen und Supercomputersimulationen und kombinierte sie dann, um diese globale Wachstumsgeschichte zu erstellen, die das Wachstum von Schwarzen Löchern im gesamten Universum über Milliarden von Jahren abbildet.
Unsere Wachstumsgeschichte zeigte, dass supermassereiche Schwarze Löcher vor Milliarden von Jahren, als das Universum noch jünger war, viel schneller wuchsen.
Das Universum enthielt ursprünglich mehr Gas, als supermassereiche Schwarze Löcher verbrauchen konnten, und es entstanden immer wieder neue supermassereiche Schwarze Löcher. Mit zunehmender Alterung des Universums ging das Gas allmählich zur Neige und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher verlangsamte sich. Vor etwa 8 Milliarden Jahren stabilisierte sich die Zahl der supermassiven Schwarzen Löcher. Seitdem ist es nicht wesentlich gestiegen.
Wenn nicht genügend Gas für das Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher durch Akkretion vorhanden ist, besteht die einzige Möglichkeit für ihr Wachstum in der Verschmelzung. Wir haben in unserer Wachstumsgeschichte nicht viele Fälle wie diesen gesehen. Im Durchschnitt können die massereichsten Schwarzen Löcher alle paar Jahrzehnte durch Verschmelzungen Masse ansammeln, die der Masse der Sonne entspricht.
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Diese Forschung hat uns geholfen zu verstehen, wie sich in den letzten 12 Milliarden Jahren mehr als 90 % der Masse eines Schwarzen Lochs angesammelt haben.
Es muss jedoch noch untersucht werden, wie sie sich im frühen Universum entwickelten, um die wenigen Prozente der Masse zu erklären, die in Schwarzen Löchern verbleiben. Die astronomische Gemeinschaft macht Fortschritte bei der Erforschung dieser ersten supermassiven Schwarzen Löcher und wir hoffen, bald weitere Antworten zu finden.
Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter Creative Commons-Lizenz. Mehr lesen Originalartikel.