Astronomie

Können Sterne jemals supermassereiche Schwarze Löcher bilden?

Können Sterne jemals supermassereiche Schwarze Löcher bilden?

Ich habe gehört, dass die meisten supermassiven Schwarzen Löcher nicht von Sternen gebildet werden – wir wissen nicht einmal, wie sie entstehen. Aber könnte ein Stern mit genügend Masse und geringer Metallizität ein supermassives Schwarzes Loch bilden? Würde es eher Sterne geben, die in diese Kategorie passen?


Wie Sie sagen, ist die schnelle Herstellung von Schwarzen Löchern im frühen Universum ein großes ungelöstes Problem in der Astrophysik. Es gibt verschiedene Hypothesen, von denen zwei grob den supermassereichen Sternen entsprechen. Alle beinhalten im Grunde den Versuch, dem Schwarzen Loch einen Massevorsprung zu verschaffen. Es gibt nicht wirklich genug Zeit, um ein Schwarzes Loch von $100,M_odot$ auf $10^9,M_odot$ zu vergrößern, also ist die Idee, lieber etwas Massiveres zu bekommen als ein paar $ imes1000,M_ odot$. Die neueste Rezension, die ich ohne weiteres kenne, ist wahrscheinlich Volonteri (2010), aber ich bin nicht auf dem neuesten Stand der Literatur.

Stellen Sie sich im Grunde ein paar hunderttausend Sonnenmassen Gas vor, die zu einer urzeitlichen Galaxie kollabieren. Wenn das Gas kollabiert, zersplittert es möglicherweise, je nachdem, ob es effizient kühlen kann oder nicht. Wenn ja, können die Fragmente vermutlich Sterne bilden, aber in einem sehr dichten Haufen. Letztlich kollabieren entweder (a) die massereichen Sterne im Haufen zu Schwarzen Löchern, die dann zu einem größeren Schwarzen Loch verschmelzen, das sich anschließend bis zur Supermasse (Supermasse?) ansammeln kann; oder (b) die einzelnen Sterne verschmelzen zuerst im Zentrum, wodurch ein Stern von vielleicht einigen Tausend Sonnenmassen entsteht, der zu einem massereichen Schwarzen Loch kollabieren würde, das wachsen könnte.

Wenn die galaktische Urwolke nicht zerfällt, erwarten wir eine Art monolithischer Kollaps. Irgendwo in der Mitte beginnt das Gas das hydrostatische Gleichgewicht zu erreichen: Ein Protostern bildet sich. Aber es ist ein Protostern, der potenziell mehrere Sonnenmassen an Material pro Jahr (oder noch schneller) ansammelt. Was als nächstes passiert, hängt also davon ab, ob dieses schnell einfallende Material Zeit braucht, um ein lokales thermisches Gleichgewicht mit dem Protostern zu erreichen, oder ob es sich nur außen anhäuft.

Wenn ersteres, dann kann der Protostern sehr groß werden: Tausende oder Zehntausende Sonnenmassen, die wie das Supermerger-Produkt oben vermutlich am Ende ein massereiches Schwarzes Loch hinterlassen. Wenn sich der kleine Protostern unabhängig vom einfallenden Gas entwickelt, ist er wahrscheinlich auch groß genug, um ein Schwarzes Loch zu hinterlassen, nur ein viel kleineres: Dutzende, vielleicht Hunderte von Sonnenmassen. Aber es ist ein Schwarzes Loch, das in diese riesige Wolke einfallenden Gases eingebettet ist, die sich möglicherweise in einer Hülle um das Schwarze Loch herum absetzt. Diese Struktur wurde als "Quasi-Stern" bezeichnet, und das Schwarze Loch im Inneren kann in diesem Kokon sehr schnell wachsen. Schließlich wird die Hülle verdampfen/zerstreuen, so dass das jetzt massereiche Schwarze Loch weiterhin seinen Weg zur Supermasse anwachsen kann.

Beachten Sie, dass diese Bildungsmechanismen voraussichtlich spezifisch für das frühe Universum sind. Sobald Sie dem Gas auch nur eine kleine Menge Metalle hinzufügen, wird die Sternentstehung voraussichtlich viel mehr wie das "moderne" Universum aussehen. Tatsächlich ist die Sternentstehung in diesen Szenarien noch lange nicht abgeschlossen. Der Hauptgrund ist, dass Sie verfolgen müssen, wie sich das Gas von der Skala der Protogalaxie bis hinunter zu den Protosternen im Inneren entwickelt. Dies ist ein Skalenbereich wie etwa $1,mathrm{AU}/10.000,mathrm{ly}approx10^{-9}$, was numerisch sehr schwierig ist.

Und um die Frage schließlich direkt zu beantworten: In keiner der supermassiven Sternoptionen kollabieren die Sterne wirklich in supermassiven Schwarzen Löchern. SMBHs sind so groß, dass sie nur durch Akkretion so groß geworden sein können. Die supermassiven Sterne würden in ihre Vorläufer (oder "Samen") kollabieren, die anschließend zu so großen Massen anwachsen würden.


Sehr frühe Sterne wurden aus Material konstruiert, das im Urknall produziert wurde. Dies wäre fast vollständig Wasserstoff und Helium ohne "Metalle". Es ist einfacher, massereichere Sterne aus solchem ​​Material zu formen, da es für Strahlung transparenter ist. Trotzdem werden die größten dieser Population III-Sterne nur mit etwa 1000 Sonnenmassen angepriesen.

Supermassive Schwarze Löcher müssen daher (schnell) wachsen, entweder durch Verschmelzung in Haufen oder zwischen Galaxien oder durch schnelle Anlagerung von Gas auf ein viel masseärmeres "Saat"-Schwarzes Loch.

Genau wie ist ein großes ungelöstes astrophysikalisches Problem.


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Supermassive Schwarze Löcher
BBC2 21.00 Uhr Donnerstag, 30. November 2000

Ein gewaltsames Ende für die Erde? Im Juni 2000 machten Astronomen eine außergewöhnliche Entdeckung. Einer, der verspricht, eines der größten Probleme der Kosmologie zu lösen – wie und warum Galaxien entstehen. Unglaublicherweise beinhaltet die Antwort die seltsamsten, destruktivsten und erschreckendsten Objekte im Universum - supermassive Schwarze Löcher. Wissenschaftler beginnen zu glauben, dass diese Kräfte der reinen Zerstörung tatsächlich dazu beitragen, die Geburt von Galaxien auszulösen und daher das Herzstück der Erschaffung von Sternen, Planeten und allem Leben sind.

Supermassive Schwarze Löcher sind so außergewöhnlich, dass viele Menschen bis vor kurzem an ihrer Existenz zweifelten. Die Vorstellung riesiger Schwarzer Löcher von der Größe des Sonnensystems schien eher Science-Fiction als Realität zu sein – solche Monster wären so mächtig, dass sie das gesamte Gewebe des Universums zerstören könnten. Aber in den letzten fünf Jahren hat eine Reihe von Entdeckungen unser Verständnis von supermassereichen Schwarzen Löchern und Galaxien für immer verändert.

Mit dem leistungsstarken Hubble-Weltraumteleskop haben Wissenschaftler nahe Galaxien gescannt, um nach diesen riesigen Schwarzen Löchern zu suchen. Es ist eine schwierige Aufgabe – Schwarze Löcher schlucken von Natur aus Licht – und können daher nie gesehen werden. Was Wissenschaftler also gesucht haben, ist die Wirkung ihrer massiven Gravitation, die Sterne mit immenser Geschwindigkeit um sich schleudert. Was sie gefunden haben, ist außergewöhnlicher, als sich irgendjemand jemals hätte vorstellen können, nicht nur Beweise dafür, dass diese riesigen zerstörerischen Monster existieren und hellip, sondern bis jetzt in jeder einzelnen Galaxie, auf die sie ihre Teleskope gerichtet haben. Diese riesigen Zerstörungsagenten scheinen im gesamten Universum verbreitet zu sein. Wissenschaftler glauben jetzt, dass supermassereiche Schwarze Löcher ein grundlegender Bestandteil dessen sind, was eine Galaxie eigentlich ist.

Im Herzen jeder einzelnen Galaxie lauert ein riesiges Schwarzes Loch von apokalyptischen Ausmaßen – und dazu gehört auch unsere eigene Galaxie, die Milchstraße. Die Astronomin Andrea Ghez untersucht seit fünf Jahren das Herz der Milchstraße. Was sie entdeckt hat, sind unwiderlegbare Beweise für ein riesiges Schwarzes Loch, das 3 Milliarden Mal so groß ist wie unsere eigene Sonne. Ein Schwarzes Loch, das das gesamte Sonnensystem zerstören könnte. Und als Horizon im Juli 2000 drehte, bekam Ghez einige erschreckende Bilder – von dem riesigen Monster, das Gas und Sterne im Herzen der Galaxie aufsaugte.

Was also macht dieses riesige Monster im Herzen unserer Galaxie? Welche Auswirkungen wird dieses riesige Schwarze Loch in 25.000 Lichtjahren Entfernung auf uns und den Rest der umliegenden Galaxie haben? Dies sind Fragen, die Astronomen in den letzten Jahren verwirrt haben – und im Juni fanden zwei verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern Beweise, die auf eine verblüffende Antwort hindeuten. Anstatt zerstörerische Parasiten zu sein, scheinen supermassereiche Schwarze Löcher für die Entstehung der Galaxien, in denen sie leben, wesentlich zu sein.

Wie genau unsere Galaxie entstanden ist, hat Astronomen und Physiker seit Jahren vor Rätsel gestellt. Obwohl es viele Theorien gab, gibt es kaum Beweise dafür, wie sich das Gas im frühen Universum zu der heutigen Galaxie verdichtet hat. Jetzt stellen Wissenschaftler fest, dass ihnen eine lebenswichtige Zutat fehlt – ein supermassives Schwarzes Loch. Die immense Schwerkraft eines riesigen Schwarzen Lochs könnte das Gas überhaupt erst zum Kollaps bringen. Durch das Aufwirbeln des Gases um ihn herum würde ein riesiges Schwarzes Loch die Geburt von Sternen, Planeten und Leben selbst auslösen. Obwohl es das zerstörerischste Ding im Universum ist, glauben Wissenschaftler jetzt, dass unser supermassives Schwarzes Loch entscheidend für die Erschaffung der Galaxie sein könnte, wie wir sie kennen.

Das supermassive Schwarze Loch in unserer eigenen Galaxie mag der Grund für unsere Existenz sein, aber neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass es auch unser Ende sein könnte. Gegenwärtig ist die Erde so weit vom Schwarzen Loch entfernt, dass sie uns nicht beeinflussen kann, aber der Physiker John Dubinski glaubt, dass sich das alles ändern könnte. Im Januar 2000 simulierte er grafisch das endgültige Schicksal unserer Galaxie. In 3 Milliarden Jahren werden wir mit der Nachbargalaxie Andromeda kollidieren. Die daraus resultierende Apokalypse wird die Erde und unser Sonnensystem aus der Umlaufbahn drängen. Dubinski hat eine besorgniserregende 50:50-Chance berechnet, dass wir auf das Schwarze Loch im Zentrum dieses Strudels stürzen. Dies wäre fatal für die Erde.

ERZÄHLER (JOHN SHRAPNEL): Anfang dieses Jahres machten zwei Astronomen eine außergewöhnliche Entdeckung, die unser Verständnis der Entstehung des Universums auf den Kopf stellen wird.

PROF. KARL GEBHARDT (Nuker-Team): So eine Zeit werden wir in der Astronomie nie wieder erleben.

PROF. LAURA FERRARESE (Rutgers University): Wirklich ist die Luft gefüllt mit neuen Entdeckungen und neuen Ideen.

ERZÄHLER: Was sie entdeckten, war eine sehr einfache Beziehung, eine Beziehung zwischen der Galaxie, in der wir leben, und der zerstörerischsten Kraft im Universum. Ein supermassives Schwarzes Loch. Es entzündete die Welt der Kosmologie.

KARL GEBHARDT: Vor sechs Monaten waren die Leute nicht so begeistert von supermassereichen Schwarzen Löchern. Der allgemeine Astronom kümmerte sich nicht so sehr um supermassereiche Schwarze Löcher. Jetzt müssen sie und jetzt sollten sie besser!

ERZÄHLER: Das ultimative Ziel der Kosmologie ist es zu verstehen, wie das Universum entstanden ist. Eine der wichtigsten Fragen ist, wie Galaxien entstanden sind, denn ohne sie würden wir nicht existieren.

DR. ANDREW FRUCHTER (Space Telescope Science Institute): Galaxien enthalten fast alle Sterne, die wir im Universum sehen und vielleicht die Orte, an denen alle Sterne im Universum entstehen und Sterne produzieren Sauerstoff, Kohlenstoff, Planeten, alles was man zum Leben braucht und ohne Leben bekommt man keine Astronomen.

ERZÄHLER: Wir sehen unsere Galaxie, die Milchstraße, als ein Sternenband am Himmel. Tatsächlich ist es eine riesige rotierende Scheibe mit einer Breite von 200.000 Lichtjahren. Es enthält über 200 Milliarden Sterne wie unsere eigene Sonne, die langsam um das Zentrum kreisen, aber wir sind nur eine von 125 Milliarden Galaxien unterschiedlicher Form und Größe, die sich durch den Weltraum drehen. Wissenschaftler konnten jedoch nicht erklären, wie eine einzelne dieser Galaxien entstanden ist.

ANDREW FRUCHTER: Die Entstehung von Galaxien ist ein sehr komplizierter Prozess. Es beinhaltet die Schwerkraft und es beinhaltet die Kollision großer Gasbälle, es beinhaltet die Dynamik von Sternen, es beinhaltet die Chemie des zusammenkommenden Gases.

ERZÄHLER: Alles, was wir wissen, ist, dass es in der Jugend des Universums keine Sterne oder Planeten gab, sondern nur große wirbelnde Wolken aus Wasserstoffgas. Das Geheimnis ist, wie sich jede dieser Wolken in die komplexen Galaxien von Sternen verwandelt hat, die wir heute sehen.

ANDREW FRUCHTER: Wir wissen nur nicht, wie sie das machen, wie sich aus dem ionisierten heißen Gas, das das Universum füllte, Galaxien gebildet haben, ist immer noch Physik, die wir noch nicht wirklich verstehen.

ERZÄHLER: Wie genau Galaxien entstanden sind, hat die weltweit führenden Astronomen und Physiker jahrzehntelang beunruhigt, aber vor 6 Monaten fanden Wissenschaftler Beweise für eine außergewöhnliche Antwort. Das Nuker-Team ist eine Gruppe von weltweit angesehenen Astronomen, aber sie sind keine Galaxienexperten. Sie sind Experten für die gewalttätigsten und destruktivsten Kräfte, die der Wissenschaft bekannt sind: supermassive Schwarze Löcher. Bis vor kurzem waren supermassereiche Schwarze Löcher reine Theorie. Dies sind riesige Schwarze Löcher von apokalyptischem Ausmaß.

KARL GEBHARDT: Supermassive Schwarze Löcher haben eine Million bis eine Milliarde Mal die Masse eines typischen Schwarzen Lochs.

PROF. SANDRA FABER (Nuker Team): Sie könnten ein ganzes Sonnensystem füllen.

ERZÄHLER: Ein supermassives Schwarzes Loch ist ganz einfach die verrückt gewordene Schwerkraft. Die Anziehungskraft eines Objekts aus so konzentrierter Materie ist unersättlich. Nichts kann ihr entkommen, nicht einmal das Licht selbst. Alles, was nahe kommt – Gas, Sterne und ganze Sonnensysteme – gerät in Vergessenheit. Es zerstört sogar die Struktur des Universums. Wenn Sie sich das Universum als ein Raum-Zeit-Netz vorstellen, erzeugt die Schwerkraft gewöhnlicher Sterne und Planeten eine Delle in diesem Netz, aber die immense Schwerkraft eines supermassereichen Schwarzen Lochs ist so zerstörerisch, dass sie die Raumzeit bis zum Zerreißen verzerrt. Im Herzen eines supermassiven Schwarzen Lochs befindet sich eines der mysteriösesten Dinge der Physik - die Singularität, ein Punkt, an dem Raum, Zeit und alle bekannten Gesetze der Physik auseinanderfallen.

SANDRA FABER: Was im Zentrum der Singularität passiert, ist ein komplettes Rätsel und seine Lösung wird neue Physik erfordern, die wir im Moment einfach nicht haben. Manche Leute denken, dass man durch die Singularität fallen und in einem anderen Teil des Universums herausspringen kann. Die Theorien zur Singularität sind zum Teil sehr, sehr radikal. Wir wissen es einfach nicht.

ERZÄHLER: Supermassive Schwarze Löcher sind so bizarr, dass viele Wissenschaftler bis vor kurzem an ihrer Existenz zweifelten. Sie waren eine extreme Idee, die erfunden wurde, um eine sehr seltene und weit entfernte Art von Galaxie zu erklären: aktive Galaxien. Diese gehören zu den hellsten Objekten im Universum. Diese Galaxien haben einen leuchtenden brennenden Kern mit riesigen Energiestrahlen, die aus dem Zentrum spritzen. Dieses wilde Herz aus strahlend heißem Gas wird Quasar genannt. Wissenschaftler dachten, diese wirbelnde Masse könnte durch ein riesiges Schwarzes Loch verursacht werden, das Gas und Sterne aufsaugt und sich buchstäblich vom Zentrum der Galaxie ernährt.

PROF. JOHN KORMENDY (Nuker-Team): Die Idee ist, dass die Quasare, die wir sehen, die so hell aussehen, nicht das Schwarze Loch sind, das supermassive Schwarze Loch, sondern das Gas, das gerade dabei ist, in das supermassive Schwarze Loch zu fallen, das es umkreist , leuchtet sehr hell, kurz bevor es im Schwarzen Loch verschwindet.

ERZÄHLER: Ein riesiges Schwarzes Loch hätte eine so überwältigende Anziehungskraft, dass es Gas und Sterne mit fast Lichtgeschwindigkeit um sich schleudern würde. Der heftige Zusammenstoß würde das Gas auf über eine Million Grad erhitzen.

JOHN KORMENDY: Das Gas reibt im Wesentlichen an sich selbst und wird extrem heiß und extrem heißes Gas leuchtet sehr hell.

ERZÄHLER: Obwohl ein Quasar hell brennt, ist es tatsächlich unmöglich zu sehen, ob sich in der Mitte ein Schwarzes Loch befindet. Paradoxerweise wird das Schwarze Loch dadurch unsichtbar, dass es Licht schluckt. So konnte jahrelang niemand sicher sein, ob im Herzen dieser seltsamen aktiven Galaxien wirklich supermassereiche Schwarze Löcher existierten. Die Nukers haben die letzten zwei Jahrzehnte damit verbracht, nach diesen schwer fassbaren Monstern zu suchen. Das erste Problem, mit dem sie konfrontiert waren, bestand darin, zu beweisen, dass es überhaupt supermassereiche Schwarze Löcher gab. Was sie entdecken sollten, wäre seltsamer, als sich die meisten Menschen hätten vorstellen können. Einer der ersten Nukers, die versuchten, einen zu finden, war Alan Dressler. 1983 kam er zum Palomar-Teleskop in Kalifornien, überzeugt, einen Weg gefunden zu haben, die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher zu beweisen.

DR. ALAN DRESSLER (Nuker Team): Man kann ein Schwarzes Loch nicht direkt sehen – das macht es zu einem Schwarzen Loch – was Sie also suchen, sind Beweise für seine Schwerkraft, Sie sehen, wie es an den Sternen zieht, die kommen in der Nähe.

SPRECHER: Dressler wusste, dass ein Schwarzes Loch zwar unsichtbar ist, aber seine immense Schwerkraft Sterne mit über 500.000 Stundenkilometern um sich schleudern würde. Indem er maß, wie schnell sich diese Sterne bewegten, konnte er beweisen, ob sich im Zentrum einer aktiven Galaxie wirklich ein Schwarzes Loch befand.

ALAN DRESSLER: Ich habe eine Galaxie in der Nähe ausgewählt, die sich NGC1068 nennt, eine aktive Galaxie, was bedeutete, dass sie wahrscheinlich ein supermassereiches Schwarzes Loch enthielt, zumindest wollten wir das beweisen.

ERZÄHLER: Um sicher zu gehen, dass sich die Sterne in NGC1068 unnatürlich schnell bewegten, wollte Dressler sie mit Sternen in einer normalen Galaxie ohne Schwarzes Loch vergleichen. Sterne, die um einen schwachen Schwerpunkt kreisen, würden sich mit halber Geschwindigkeit bewegen. Für diesen Vergleich wählte er also die ganz gewöhnliche Galaxie neben uns, Andromeda, mit einem ruhigen, inaktiven Zentrum wie unserem eigenen. Um die Geschwindigkeit der Sterne in diesen beiden sehr unterschiedlichen Galaxien zu messen, verwendete Dressler ein Instrument namens Spektroskop. Dies betrachtet das sich ändernde Lichtmuster, das von Sternen ausgeht, während sie sich um den Galaxienkern drehen. Das Spektroskop zeigt das Zentrum der Galaxie als weißes Band und die Bewegung der Sterne um den Kern wird durch eine dunkle vertikale Linie verfolgt. Wenn die Sterne im Zentrum der Galaxie langsam kreisen, würde das dunkle Band kaum Veränderungen zeigen, aber wenn sie sich mit großer Geschwindigkeit bewegen und auf beiden Seiten eines supermassiven Schwarzen Lochs auf uns zu und von uns weg sausen, dann sollte das dunkle Band a . zeigen plötzliche Verschiebung durch das Zentrum der Galaxie.

ALAN DRESSLER: Ich würde erwarten, dass sich diese dunkle Linie ziemlich schnell ändert, so dass sich die Geschwindigkeit von einer Seite der Galaxie auf die andere sehr plötzlich genau über dem Zentrum ändert, und das wäre zeigen, dass sich die Sterne im Zentrum der Galaxie aufgrund des Einflusses einer großen Masse im Zentrum, des supermassiven Schwarzen Lochs, sehr schnell bewegten.

ERZÄHLER: In den nächsten Nächten maß Dressler die Geschwindigkeit der Sterne in NGC1068 und in Andromeda. Als die Ergebnisse aus dem Teleskop kamen, sah er etwas völlig Unerwartetes. Das Bild aus der aktiven Galaxie, in der er ein Schwarzes Loch zu finden hoffte, war unlesbar. NGC1068 war einfach zu weit entfernt, als dass das Teleskop ein klares Bild hätte machen können. Die Überraschung kam von Andromeda, der ruhigen, normalen Galaxie direkt neben uns.

ALAN DRESSLER: Ich war erstaunt, als ich gefunden habe, was ich suchte, aber nicht dort, wo ich es gesucht habe. Dieses Joggen in diesem dunklen Band zeigt, dass sich auf der einen Seite die Sterne mit 150 Kilometer pro Sekunde, das sind 500.000 Kilometer pro Stunde, sehr schnell von uns entfernt haben.

ERZÄHLER: Dressler dachte, es könnte nur eine Sache geben, die die Sterne so schnell bewegen würde: ein supermassives Schwarzes Loch, und er war nicht allein. Der Nuker-Kollege John Kormendy hatte genau dasselbe gefunden.

JOHN KORMENDY: In dem Moment, in dem ich dieses Wackeln sehen konnte, wusste ich im Wesentlichen sofort, dass die Wahrscheinlichkeit sehr groß war, dass dies ein supermassives Schwarzes Loch sein würde. Wenn Sie so etwas sehen, wissen Sie, dass Sie etwas auf der Spur sind.

ERZÄHLER: Sie hatten Beweise für die furchterregendste Kraft der Natur gefunden, aber beunruhigenderweise befand sie sich nicht in einer weit entfernten aktiven Galaxie. Dieses supermassive Schwarze Loch befand sich in der ganz gewöhnlichen Galaxie direkt neben uns. Andromeda schien ein Schwarzes Loch zu haben, aber keinen hellen Quasar.

ALAN DRESSLER: Wenn es ein supermassives Schwarzes Loch gab, warum leuchtete es dann nicht? Das deutete darauf hin, dass nichts hineingefallen war. Vielleicht könnten viele Galaxien eine Ruhephase haben, in der sie ein supermassereiches Schwarzes Loch hatten, aber sie wurden nicht gefüttert, sodass sie nicht leuchteten.

ERZÄHLER: Ein paar Theoretiker hatten genau das vorhergesagt: Supermassereiche Schwarze Löcher könnten in zwei Zuständen existieren. Wenn es ein riesiges Schwarzes Loch füttert, erzeugt es eine helle brennende Gasscheibe um es herum und dann hört es aus irgendeinem Grund auf zu füttern und hinterlässt einen dunklen, tödlichen Kern, der bedrohlich im Zentrum der Galaxie lauert und eines dieser dunklen, stummen Monster wurde in . gefunden unsere Nachbargalaxie. Die Entdeckung eines massiven Schwarzen Lochs, das so nahe bei uns lauert, machte weltweit Schlagzeilen, aber viele Wissenschaftler fanden die Nachricht nicht zu glauben. Sie hielten die Beweise für nicht gut genug für eine so extreme Idee. Sogar die Nukers selbst begannen zu zweifeln.

JOHN KORMENDY: Es besteht immer die Gefahr, dass es sich nicht um ein Schwarzes Loch handelt, sondern um eine dichte Ansammlung von etwas anderem, das dunkel ist, das kein Schwarzes Loch ist.

PROF. DOUG RICHSTONE (Nuker Team): Ich dachte, es besteht eine gute Chance, dass wir einen schrecklichen, dämlichen Fehler gemacht haben und dass jemand innerhalb eines Jahres eine Arbeit schreiben und zeigen würde, dass wir ein Haufen Idioten sind und fühlen würden schrecklich darüber.

ERZÄHLER: Um die Skeptiker zu überzeugen, mussten sie in vielen weiteren Galaxien mehr supermassereiche Schwarze Löcher finden. Dazu mussten sie weiter in den Weltraum schauen. Also wandten sie sich an das Hubble-Weltraumteleskop. Ab 1994 begann Hubble eine systematische Untersuchung der Zentren entfernter Galaxien auf der Suche nach der verräterischen Signatur von Sternen, die um ein supermassereiches Schwarzes Loch rasten.

(AKTUALITÄTSWISSENSCHAFTLICHER CHAT)

Astronomen begannen mit der Betrachtung einer aktiven Galaxie, M87. Wie erwartet hatte es ein riesiges schwarzes Loch, das einen großen Energiestrahl in den Weltraum schoß. Aber als sich die Suche auch auf inaktive Galaxien ausdehnte, geschah etwas Unglaubliches. In jeder Galaxie, die Wissenschaftler untersuchten, fanden sie Beweise für ein supermassives Schwarzes Loch.

DOUG RICHSTONE: M31 und M32.

KARL GEBHARDT: Insgesamt wurden wohl etwa 20-30 Schwarze Löcher gefunden.

ERZÄHLER: Supermassive Schwarze Löcher sollten selten sein, aber Hubble fand sie überall, sowohl in aktiven Galaxien als auch leise in gewöhnlichen Galaxien lauernd.

SANDRA FABER: Wir haben uns ziemlich schnell daran gewöhnt, dass alles, was wir sehen, ein schwarzes Loch enthält. Wissen Sie, nach den ersten drei oder vier Fällen begannen wir uns zu fragen: Hat jeder ein Schwarzes Loch?

DOUG RICHSTONE: Nacheinander sahen wir, wie dieses Bild aus dem Nebel auftauchte, dass jede Galaxie oder fast jede Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch enthält. Es war wirklich erstaunlich.

ERZÄHLER: Weit davon entfernt, seltene Naturfreaks zu sein, begannen die Nukers zu vermuten, dass alle Galaxien riesige Schwarze Löcher in ihrem Herzen haben könnten. Wenn dies wahr wäre, würde es die Vorstellung davon revolutionieren, was eine Galaxie tatsächlich ist. Noch beunruhigender war, dass es im Herzen unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, ein supermassives Schwarzes Loch geben könnte. Andrea Ghez kommt seit fünf Jahren nach Hawaii, um herauszufinden, ob es in der Mitte der Milchstraße ein supermassives Schwarzes Loch gibt.

PROF. ANDREA GHEZ (University of California, Los Angeles): Als ich anfing, über Astronomie nachzudenken, kam mir nie der Gedanke, dass es im Zentrum unserer Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch geben könnte. Die Idee war, dass sich Galaxien nur um die Masse des Zentrums drehten, das nur aus Sternen und Gas und Staub bestand und nichts besonders Exotisches.

ERZÄHLER: Andrea Ghez hat ein Teleskop verwendet, das noch leistungsfähiger ist als Hubble - das Keck-Teleskop, das 14.000 Fuß hoch auf dem heiligen Berg Mauna Kea thront. Das Keck-Teleskop ist das größte optische Teleskop der Welt. Es hat einen riesigen Spiegel von 10 Metern Durchmesser, der aus 36 Segmenten aus hochglanzpoliertem aluminisiertem Glas besteht.

ANDREA GHEZ: Das Keck-Teleskop ist ein fabelhaftes Teleskop. Es ist großartig, weil es groß ist. In diesem Fall ist größer besser. Sie können viele Photonen sammeln, sehr schwache Dinge sehen und sehr feine Details sehen.

ERZÄHLER: Viermal im Jahr richtet Ghez das Teleskop auf die Sterne im Herzen unserer Milchstraße. Sie sucht nach den verräterischen hohen Geschwindigkeiten, die die Anwesenheit eines Schwarzen Lochs verraten. Das Zentrum der Milchstraße ist so nah und das Keck-Teleskop Ghez ist so leistungsstark, dass es näher in das Zentrum der Galaxie blicken kann als je zuvor.

ANDREA GHEZ: Hier ist ein Beispiel für eines der Bilder, die wir erst gestern Abend bekommen haben. Das Sehen war, es war eine typische Nacht, nicht die beste Nacht, nicht die schlimmste Nacht. Jeder dieser Kleckse hier ist ein Stern, und was Sie sehen, ist, dass jeder Stern verzerrt ist - genau das macht die Atmosphäre. Es ist, als würde man durch einen Teich schauen, als würde man einen Penny auf dem Grund eines Teiches betrachten und das Wasser bewegt sich, es sieht alles verzerrt aus und es sieht jedes Mal anders aus, also ist dies eine Aufnahme und die nächste Aufnahme sieht so aus the diese.

ERZÄHLER: Durch das Übereinanderlegen von Tausenden dieser über Nacht aufgenommenen Bilder kann der Computer die Verzerrung der Atmosphäre kompensieren und ein detailliertes Bild des Zentrums der Galaxie erzeugen.

ANDREA GHEZ: Sie können die Position der Sterne sehr genau sehen. Wenn wir hier ins Zentrum gehen und es neu skalieren, sehen wir tatsächlich, dass es in der Mitte unseres Sichtfeldes schwächere Sterne gibt und diese Sterne extrem wichtig sind. Es ist die Bewegung dieser Sterne, die die Anwesenheit des Schwarzen Lochs verraten.

ERZÄHLER: Ghez verfolgt seit fünf Jahren die Bewegungen dieser Stars. Wenn es kein Schwarzes Loch gäbe, würden sie sich sehr langsam bewegen, aber sie hat herausgefunden, dass sie mit Geschwindigkeiten von über 1.000 Kilometern pro Sekunde kreisen.

ANDREA GHEZ: Diese Sterne, die wir beobachtet haben, sind 2 Lichtwochen vom Zentrum unserer Galaxie entfernt. Ihre Bewegung, die Tatsache, dass sie 1.000 Kilometer pro Sekunde fliegen, sagt uns, dass es innerhalb von 2 Lichtwochen 2 Millionen Mal so weit ist Masse der Sonne der Materie dort.

ERZÄHLER: Es gibt nur eine Sache im Universum, die so dicht ist. Im Zentrum dieser Kette aus sich drehenden Sternen befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch. Sie können es nicht sehen, aber es ist da. Die zerstörerischste Kraft im Universum lauert im Herzen unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Das Rätsel für Kosmologen ist nun, welche Auswirkungen es auf die sie umgebende Galaxie hat. Wenn, wie es jetzt aussieht, jede einzelne Galaxie ein Schwarzes Loch in ihrem Herzen hat, kann dies kein Zufall sein. Vielleicht sind Schwarze Löcher ein wesentlicher Bestandteil dessen, was Galaxien sind und wie sie funktionieren.

SANDRA FABER: Nun, da wir wissen, dass es sie in jeder Galaxie gibt, stellt sich die Frage, was sie tun? Sind sie grundlegend oder sind sie nur ein Schnickschnack? Beeinflussen sie wirklich das Leben von Galaxien oder ist es umgekehrt - beeinflussen Galaxien sie? Das versuchen wir herauszufinden.

ERZÄHLER: Also machte sich das Nuker-Team daran, herauszufinden, ob es eine Beziehung zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und den sie umgebenden Galaxien gibt.

JOHN KORMENDY: Wenn Sie ein Objekt studieren, von dem Sie fast nichts wissen, möchten Sie als Erstes ein regelmäßiges Verhaltensmuster finden, denn so etwas kann Ihnen neue Wissenschaft lehren.

ERZÄHLER: Eines der ersten Dinge, die ihnen auffielen, war eine seltsame Verbindung zwischen der Größe der Galaxie und der Größe des Schwarzen Lochs in der Mitte.

DR. JOHN MAGGORIAN (Nuker Team): Wir haben festgestellt, dass es eine Beziehung zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Masse der sie umgebenden Wirtsgalaxie gibt, in dem Sinne, dass kleine Galaxien kleine Schwarze Löcher von etwa einer Million Sonnenmassen haben und große Galaxien ein großes Schwarzes haben Löcher von rund einer Milliarde Sonnenmassen.

ERZÄHLER: Jedes einzelne Schwarze Loch war fast genau proportional zur Größe seiner Galaxie. Egal wie groß oder klein, die Galaxie hatte bizarrerweise immer ein Schwarzes Loch mit einem halben Prozent ihrer Gesamtmasse.

JOHN MAGGORIAN: Das war überraschend und führt sofort zu Fragen: Warum?

ERZÄHLER: Niemand hatte erwartet, dass die Größe des Schwarzen Lochs und die Größe der Galaxie möglicherweise zusammenhängen könnten. Es deutete auf eine mysteriöse unsichtbare Verbindung zwischen einer Galaxie und ihrem Schwarzen Loch hin, aber was dies für ein Mysterium war, mussten Wissenschaftler drei Jahre warten, um es zu lösen.

Der erste Durchbruch gelang, als dem Hubble-Weltraumteleskop ein neues Instrument hinzugefügt wurde.

Dies beschleunigte die Entdeckung neuer Schwarzer Löcher dramatisch und gab den Wissenschaftlern eine Fülle neuer potenzieller Hinweise. Seit drei Jahren kommen die Daten auf die Erde. Unter denen, die es durchforstet haben, sind zwei junge konkurrierende Forscher. Was sie in diesem Jahr entdecken sollten, würde die Welt der Kosmologie auf den Kopf stellen.

LAURA FERRARESE: Ich gehe jeden Tag zur Arbeit, ich weiß nicht genau, was passieren wird, aber ich kann mir vorstellen, dass es jeden Tag etwas Aufregendes wird.

KARL GEBHARDT: Die letzten sechs Monate waren phänomenal in Bezug auf die Erforschung von Schwarzen Löchern. Wir waren extrem aufgeregt, wir finden diese Schwarzen Löcher in, in einer Zahl, die wir noch nie zuvor hatten.

ERZÄHLER: Karl Gebhardt und Laura Ferrarese versuchten, die grundlegende Verbindung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Galaxien zu finden, also durchsuchten sie all die verschiedenen Galaxieneigenschaften auf der Suche nach neuen Verbindungen, die einen Hinweis geben könnten. Aber erst als sie sich eine Eigenschaft namens Sigma ansahen, begann das Geheimnis zu lüften.

LAURA FERRARESE: Sigma ist nur ein sehr, sehr schicker Name für etwas, das eigentlich sehr einfach ist.

ERZÄHLER: Sigma ist die Geschwindigkeit, mit der die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxie kreisen. Die Sterne am Rand der Galaxie sind so weit vom Schwarzen Loch entfernt, dass sie von seiner Schwerkraft völlig unbeeinflusst sind.

JOHN KORMENDY: Diese Sterne spüren das Schwarze Loch nicht, sie spüren den Rest der Sterne in der Galaxie, sie wissen oder interessieren sich nicht dafür, dass das Schwarze Loch da ist. Wenn Sie das Schwarze Loch aus der Galaxie entfernen würden, würden sie sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit bewegen.

ERZÄHLER: Dies hat Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass es unmöglich einen Zusammenhang zwischen der Größe des Schwarzen Lochs und der Geschwindigkeit der Sterne am Rand der Galaxie geben könnte. Sie sollten sich als falsch herausstellen. Als die beiden Forscher die neuen Daten durchgingen, mussten sie zunächst die Masse jedes Schwarzen Lochs berechnen. Dann fanden sie heraus, mit welcher Geschwindigkeit sich die Sterne am Rand der Galaxie bewegten und trugen all diese Zahlen in eine Grafik ein.

KARL GEBHARDT: Als sie hereinkamen, nahm ich die neue Masse des Schwarzen Lochs und das Sigma für diese Galaxie und fügte es meiner Handlung hinzu.

ERZÄHLER: Es sollte keine Beziehung zwischen den beiden geben, aber als sie jeden neuen Punkt hinzufügten, der die Geschwindigkeit der Sterne gegenüber der Masse des Schwarzen Lochs markierte, begann sich ein klares Muster abzuzeichnen. Zu ihrem Erstaunen lagen die Punkte in einem offensichtlichen Band über den Graphen. Die Eigenschaften waren eindeutig miteinander verbunden: Je größer das Schwarze Loch, desto schneller die Sterne am Rand der Galaxie.

LAURA FERRARESE: Was wir entdeckt haben ist, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien und die Galaxien selbst wirklich sehr eng miteinander verflochten sind.

ERZÄHLER: Die Sterne am Rande der Galaxie haben keine physische Verbindung zum Schwarzen Loch. Doch irgendwie ist ihre Geschwindigkeit eng mit der Größe des Milliarden von Meilen entfernten Schwarzen Lochs verbunden. Wenn die beiden Dinge jetzt nicht physisch verbunden sind, bedeutet dies, dass sie irgendwann in der Vergangenheit gewesen sein müssen.

KARL GEBHARDT: Die Tatsache, dass es einen so engen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Sterne und dem Schwarzen Loch in der Mitte gibt, ist eine Untersuchung dessen, was sich in der Frühphase der Galaxie ereignet hat.

JOHN KORMENDY: Es schreit dich etwas an, was du noch nicht über den Zusammenhang zwischen Galaxienbildung und Schwarzer-Loch-Bildung verstehst.

ERZÄHLER: Die Beziehung weist auf eine außergewöhnliche Idee hin: dass Galaxien und ihre riesigen Schwarzen Löcher von Geburt an verbunden sein könnten. Tatsächlich dachten Wissenschaftler, dass supermassereiche Schwarze Löcher sogar an der Entstehung der Galaxien selbst beteiligt sein könnten.

SANDRA FABER: Diese Korrelation ist das Wichtigste, was wir bisher über supermassereiche Schwarze Löcher gelernt haben. Astronomen suchen immer nach Korrelationen. Jedes Mal, wenn Sie einen wirklich engen Platz finden, wie diesen, ist dies ein Zeichen dafür, dass es einige grundlegende Physik gibt, nach der Sie suchen müssen.

ERZÄHLER: Zufälligerweise wurde die Physik, die erklären könnte, was vor sich ging, schon Jahre zuvor vorgeschlagen: von den Theoretikern Martin Rees und Jo Silk. Jo Silk hat einen Großteil seines Lebens damit verbracht, das Geheimnis der Galaxienentstehung zu lösen. Vor drei Jahren wurde klar, dass ihm eine lebenswichtige Zutat gefehlt hatte. Wenn es in jeder Galaxie ein Schwarzes Loch gäbe, müssten Wissenschaftler erklären, was es dort macht.

PROF. JOSEPH SILK (Universität Oxford): Wir mussten unsere Vorstellungen von der Entstehung von Galaxien überdenken. Um das erste Licht des Universums zu verstehen, müssen wir wirklich die Rolle dieser supermassiven Schwarzen Löcher bei der Galaxienentstehung berücksichtigen.

ERZÄHLER: Alle bisherigen Vorstellungen von Galaxienentstehung gingen davon aus, dass sich Gas im frühen Universum einfach zu Sternen und Galaxien kondensiert hat. Silk und Rees hatten eine ganz andere Idee. Sie schlugen vor, dass das Zentrum jeder frühen Gaswolke zu einem riesigen schwarzen Loch kollabiert sein könnte. Das Schwarze Loch würde sofort anfangen, sich von dem Gas um es herum zu ernähren und einen brillanten Quasar zu erzeugen. Silk erkannte, dass die Energie dieses neu gebildeten Quasars zu starken Temperaturänderungen im umgebenden Gas führen würde. Dies würde dazu führen, dass das Gas um das Schwarze Loch und seinen neu gebildeten Quasar zu Sternen kondensiert, was im Endeffekt bedeutet, dass das Schwarze Loch dazu beigetragen haben könnte, die Geburt der Galaxie auszulösen.

JOSEPH SILK: Wir stellen uns Schwarze Löcher normalerweise als zerstörerische Einflüsse auf ihre Umgebung vor. In diesem Fall sind sie kreativ, sie haben einen sehr positiven Einfluss auf die Entstehung der Galaxien.

ERZÄHLER: Aber da war noch mehr. Diese Theorie sagte voraus, wann und warum das Schwarze Loch schließlich aufhören würde, sich zu ernähren und still zu werden. Sie berechneten, dass dies passieren würde, wenn das nährende Schwarze Loch so groß würde, dass die enorme Energiemenge, die von seinem hellen Quasar ausspeist, den Rest der Galaxie buchstäblich aus seiner Reichweite drängen würde.

JOSEPH SILK: Es hat die Wirkung, einen Wind gegen das umgebende Gas zu drücken und das umgebende Gas wie ein Schneepflug wegzutreiben.

ERZÄHLER: Mit nur seinem heißen, wirbelnden Quasar in seiner Reichweite würde das Schwarze Loch das verschlucken und dann aufhören zu fressen. Es würde im Zentrum der Galaxie unsichtbar bleiben. Silk und Rees berechneten, dass dieser Moment, in dem das Schwarze Loch die umgebende Galaxie wegdrückte, bizarrerweise davon abhängen würde, wie schnell sich die Sterne in der äußeren Galaxie bewegten. Je schneller diese Sterne kreisten, desto schwieriger wäre es, sie wegzuschieben, und desto größer musste das Schwarze Loch wachsen, um genug Energie zu produzieren, um die Bewegung der kreisenden Sterne zu überwinden. Was bedeutet, dass die Größe des Schwarzen Lochs letztendlich davon abhängt, wie schnell sich die Sterne in der neu entstandenen Galaxie um sie herum bewegen.

JOSEPH SILK: Wenn unsere Theorie richtig ist, sollte es eine einfache Beziehung zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der Geschwindigkeit oder dem Sigma der Sterne in der neu gebildeten umgebenden Galaxie geben.

ERZÄHLER: Und genau das wurde gerade gefunden. Es bedeutet, dass die Theorie von Silk und Rees richtig sein könnte und wenn es auch richtig ist, dass supermassereiche Schwarze Löcher die Sternentstehung ausgelöst haben, dann muss dies bedeuten, dass alle riesigen Schwarzen Löcher und ihre Galaxien von Geburt an verbunden sind. Dies bedeutet, dass die Antwort auf das Geheimnis der Galaxienentstehung in der Entstehung der supermassiven Schwarzen Löcher in ihrem Herzen liegen könnte.

LAURA FERRARESE: Die wahre Implikation der Beziehung ist, dass was auch immer die Entstehung der Galaxie und was auch immer die Bildung des supermassiven Schwarzen Lochs kontrollierte, im Grunde dasselbe ist, hinter allem steht nur eins.

ERZÄHLER: Die Entdeckung hat Aufsehen erregt. Plötzlich sind supermassereiche Schwarze Löcher eine große Neuigkeit in der Kosmologie.

KARL GEBHARDT: Ich freue mich sehr, mit Ihnen über einige der Ergebnisse zu sprechen, an denen ich in den letzten Monaten gearbeitet habe.

WISSENSCHAFTLER: Wir glauben, dass die meisten und vielleicht alle Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher am&hellip . enthalten

LAURA FERRARESE: Wirklich bis vor fünf Jahren galten sie nur als Kurioses, wissen Sie, sehr exotische Kuriositäten und sicherlich faszinierend, aber ohne wirkliche Bedeutung, und jetzt wissen wir, dass das nicht stimmt. Supermassereiche Schwarze Löcher sind wirklich der grundlegende Bestandteil von Galaxien und müssen berücksichtigt werden.

ERZÄHLER: Theorie und Beobachtung zusammen führen Wissenschaftler zu einer neuen Sichtweise der Galaxienentstehung. Es ist immer noch nur eine Theorie und es gibt viele Details, die noch ausgearbeitet werden müssen, aber wenn es stimmt, dann hätte alles so angefangen. Im frühen Universum, einer Zeit formlosen Gases, wäre jede wirbelnde Gaswolke zu einer Galaxie mit einem entscheidenden Ereignis geworden: der Entstehung eines gefräßigen schwarzen Lochs. Das Schwarze Loch hätte sofort begonnen, sich seinen Weg durch die Gaswolke zu bahnen. Dies hätte riesige Ausbrüche von Sternentstehung ausgelöst und die Galaxie wäre zum Leben erwacht. Schließlich hätten das Schwarze Loch und sein Quasar den Rest der Galaxie verdrängt. Nachdem es seinen Quasar aufgesogen hatte und nichts mehr zum Essen übrig hatte, wäre das Schwarze Loch im Herzen der Galaxie dunkel und still geblieben. Ein supermassives Schwarzes Loch, eine Kraft schrecklicher Zerstörung, könnte also auch bei der Erschaffung unserer Galaxie von grundlegender Bedeutung sein. Dennoch ist seine latente Zerstörungskraft nicht zu unterschätzen. Zurück auf Hawaii hat Andrea Ghez eine neue Entdeckung gemacht. Sie hat eine neue Lichtquelle im Zentrum unserer Galaxie entdeckt. Das Schwarze Loch fängt möglicherweise wieder an, sich zu ernähren.

ANDREA GHEZ: Plötzlich sahen wir etwas, das wie ein Stern aussieht, aber vielleicht kein Stern ist, aber es ist definitiv ein neues Objekt auf unserer Karte und das Interessante ist, dass es sich dort befindet, wo wir das Schwarze Loch vermuten.

ERZÄHLER: Ghez denkt, dass dieser Lichtpunkt etwas Erstaunliches sein könnte.

ANDREA GHEZ: Eine Idee, die mich im Moment besonders fasziniert, ist die Idee, dass das Schwarze Loch vielleicht gerade mehr füttert.

ERZÄHLER: Ein ruhiges supermassives Schwarzes Loch kann jederzeit wieder mit der Nahrungsaufnahme beginnen. Das Licht könnte von heißem Gas kommen, das in das Schwarze Loch gesaugt wird. Wenn dieses Licht nur ein weiterer Stern wäre, würde es mit den anderen kreisen. Wenn es das Schwarze Loch selbst ist, sollte es ruhig bleiben. Um zu sehen, ob es sich bewegt, hat Andrea zwei Bilder davon gemacht, eines im Mai und eines im Juli.

ANDREA GHEZ: Wenn wir zwischen den beiden hin und her blinken, können Sie die neue Quelle sehen. Sie können auch sehen, dass sich die anderen Sterne, von denen wir gesagt haben, dass sie Hochgeschwindigkeitssterne sind, bewegen.

ERZÄHLER: Obwohl sich die Sterne um sie herum bewegen, bleibt die neue Quelle still. Dies deutet darauf hin, dass das Licht aus dem Zentrum der Galaxie kommt, dem supermassiven Schwarzen Loch selbst.Andrea glaubt, dass das Licht, das sie sieht, von heißem Gas kommt, das in den Wirbel des Schwarzen Lochs gesaugt wird. Wenn unser Schwarzes Loch also wieder mit der Nahrungsaufnahme beginnt, könnte dies die Erde beeinflussen, obwohl wir 24.000 Lichtjahre entfernt sind?

ANDREA GHEZ: Wir sind absolut nicht in Gefahr, von dem supermassiven Schwarzen Loch gefressen zu werden, und wenn wir tatsächlich glauben, dass das Schwarze Loch im Moment eine etwas größere Nahrungsaufnahme durchmacht, ist es winzig, winzig im Vergleich zu anderen Galaxien. Galaxien tun dabei in der Tat immer noch dies ein sehr ruhiges Schwarzes Loch. Trotz der Tatsache, dass daraus möglicherweise neue Emissionen entstehen, ist sie immer noch extrem niedrig.

ERZÄHLER: Unser Schwarzes Loch hat lediglich das Äquivalent eines kleinen Snacks, der sich von einem zu nahen Gashauch ernährt. Das Schwarze Loch hat vor Milliarden von Jahren aufgehört zu wachsen. Nur eine große Katastrophe könnte sie wieder zum Feuern bringen, etwas, das heftig genug ist, um Sterne aus dem sicheren Rand unserer Galaxie in ihr tödliches Herz zu schleudern, und wir wissen jetzt, dass diese Katastrophe eines Tages passieren könnte. Im Januar dieses Jahres machte sich John Dubinski auf, das endgültige Schicksal unserer Galaxie, der Milchstraße, und unseres nächsten Nachbarn Andromeda zu berechnen.

PROF. JOHN DUBINSKI (Universität Toronto): Die Andromeda-Galaxie fällt tatsächlich in Richtung Milchstraße, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich irgendwann in der Zukunft eine enge Begegnung haben werden.

ERZÄHLER: Im Moment bewegt sich Andromeda mit 400.000 Stundenkilometern auf uns zu und Wissenschaftler glauben, dass es uns eines Tages treffen wird. Also beschloss Dubinski, herauszufinden, was in 3 Milliarden Jahren mit uns passieren wird, wenn die beiden Galaxien schließlich kollidieren. Das Ergebnis war nach langer und komplexer Berechnung ein anschauliches Bild der drohenden Kollision. Eine detaillierte Vorhersage, wie die Milchstraße enden wird.

JOHN DUBINSKI: Die Gaswolken treffen mit diesen enormen Geschwindigkeiten aufeinander, Hunderte von Kilometern pro Sekunde, und das erzeugt im Grunde große Stoßwellen, die sich durch das Gas bewegen und es auf eine große Temperatur erhitzen.

ERZÄHLER: Im Herzen dieses Strudels wird das siedende Gas auf die beiden konvergierenden Schwarzen Löcher geschleudert. Dieser Kick löst einen heftigen doppelten Fressrausch aus, während sich die beiden Monster aufeinander zudrehen.

JOHN DUBINSKI: Und irgendwann werden diese beiden unabhängigen Schwarzen Löcher mit ihren Akkretionsscheiben spiralförmig zusammenlaufen und sich selbst verschmelzen und ein noch massereicheres Schwarzes Loch bilden.

SPRECHER: Dubinski hat herausgefunden, dass diese heftige Kollision die Erde und ihr Sonnensystem aus der Umlaufbahn werfen würde. Zwei mögliche Schicksale erwarten uns. Wenn wir uns bei diesem Zusammenstoß auf einer Seite der Galaxie befinden, könnten wir in die Leere des Weltraums geworfen werden - wenn wir Glück haben.

JOHN DUBINSKI: Die zweite Möglichkeit ist, dass wir uns zum Zeitpunkt der Kollision auf der anderen Seite der Galaxie befinden. In diesem Fall könnten wir mitten in dieses Chaos geworfen werden.

ERZÄHLER: Im aktiven Zentrum der verschmelzenden Galaxie wird das riesige schwarze Loch riesige Sternexplosionen und Supernovae auslösen. Das sind schlechte Nachrichten für die Erde.

JOHN DUBINSKI: Es könnte eine schreckliche Katastrophe geben. Die Strahlungswelle der Druckwelle der Supernova würde auf die Atmosphäre treffen und sie augenblicklich verdampfen, so dass die Atmosphäre verschwunden wäre, die Meere in den Weltraum verdampfen und die Erde würde toasten.


Breaking Astronomy News: Wie sich supermassereiche Schwarze Löcher bilden!

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Cardiff University sagt, dass sie dank einer neuen Technik, die es ihnen ermöglicht hat, eines dieser rätselhaften kosmischen Objekte mit beispiellosen Details heranzuzoomen, näher daran sind, zu verstehen, wie ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) entsteht.

Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob SMBHs unter den extremen Bedingungen kurz nach dem Urknall in einem Prozess, der als „direkter Kollaps“ bezeichnet wird, gebildet wurden oder viel später aus „Saat“-Schwarzen Löchern, die aus dem Tod massereicher Sterne resultierten, gezüchtet wurden.

Wenn die erstere Methode wahr wäre, würden SMBHs mit extrem großen Massen geboren – Hunderttausende bis Millionen Mal größer als unsere Sonne – und hätten eine feste Mindestgröße.

Wenn letzteres wahr wäre, würden SMBHs relativ klein beginnen, etwa das 100-fache der Masse unserer Sonne, und im Laufe der Zeit größer werden, indem sie sich von den Sternen und Gaswolken ernähren, die um sie herum leben.

Astronomen bemühen sich seit langem, die SMBHs mit der geringsten Masse zu finden, die die fehlenden Glieder sind, die zur Entschlüsselung dieses Problems erforderlich sind.

Das berühmte Bild des Supermassive Black Hole M87 – das ist kein “quiet” Black Hole. Credits: Event Horizon Telescope Zusammenarbeit et al.

In einer heute veröffentlichten Studie hat das von Cardiff geleitete Team die Grenzen überschritten und eines der SMBHs mit der niedrigsten Masse enthüllt, das jemals im Zentrum einer nahegelegenen Galaxie beobachtet wurde und weniger als eine Million Mal die Masse unserer Sonne wiegt.

Das SMBH lebt in einer Galaxie, die aufgrund ihrer Nähe zu einem sehr hellen Stern namens Mirach, der ihm einen geisterhaften Schatten verleiht, bekannt als "Mirachs Geist" bekannt ist.

Die Ergebnisse wurden mit einer neuen Technik mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gewonnen, einem hochmodernen Teleskop hoch auf dem Chajnantor-Plateau in den chilenischen Anden, das zur Untersuchung des Lichts einiger der kältesten Objekte im Universum.

„Das SMBH in Mirach’s Ghost scheint eine Masse innerhalb des Bereichs zu haben, der von ‚direkten Kollaps‘-Modellen vorhergesagt wird“, sagte Dr. Tim Davis von der School of Physics and Astronomy der Cardiff University.

„Wir wissen, dass es derzeit aktiv ist und Gas schluckt, daher können einige der extremeren ‚direkten Kollaps‘-Modelle, die nur sehr massive SMBHs erzeugen, nicht wahr sein.

„Dies allein reicht nicht aus, um definitiv den Unterschied zwischen dem ‚Seed‘-Bild und dem ‚direkten Zusammenbruch‘ zu erkennen – dafür müssen wir die Statistiken verstehen – aber das ist ein massiver Schritt in die richtige Richtung.“

Schwarze Löcher sind Objekte, die unter der Schwerkraft zusammengebrochen sind und kleine, aber unglaublich dichte Regionen des Weltraums hinterlassen, aus denen nichts entweichen kann, nicht einmal Licht.

Ein SMBH ist die größte Art von Schwarzem Loch, das Hunderttausende, wenn nicht sogar Milliarden Mal die Masse der Sonne haben kann.

Es wird angenommen, dass fast alle großen Galaxien, wie unsere eigene Milchstraße, ein SMBH in ihrem Zentrum enthalten.

„SMBHs wurden auch in sehr weit entfernten Galaxien gefunden, da sie nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall erschienen“, sagte Dr. Marc Sarzi, Mitglied des Teams von Dr. Davis vom Armagh Observatory & Planetarium.

“Die Suche nach den kleinsten supermassiven Schwarzen Löchern in nahegelegenen Galaxien könnte uns helfen, herauszufinden, wie [sie] beginnen.” – Dr. Marc Sarzi, Armagh Observatory and Planetarium

„Dies deutet darauf hin, dass zumindest einige SMBHs in sehr kurzer Zeit sehr massiv angewachsen sein könnten, was anhand von Modellen für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien schwer zu erklären ist.“

„Alle Schwarzen Löcher wachsen, wenn sie Gaswolken verschlucken und Sterne stören, die sich ihnen zu nahe wagen, aber einige haben ein aktiveres Leben als andere.“

„Die Suche nach den kleinsten SMBHs in nahegelegenen Galaxien“, so Dr. Sarzi weiter, „könnte uns daher helfen, herauszufinden, wie SMBHs beginnen“

In ihrer Studie nutzte das internationale Team brandneue Techniken, um weiter als je zuvor in das Herz einer kleinen nahe gelegenen Galaxie namens NGC404 zu zoomen und so die wirbelnden Gaswolken zu beobachten, die das SMBH in seinem Zentrum umgaben.

Das ALMA-Teleskop ermöglichte es dem Team, die Gaswolken im Herzen der Galaxie aufzulösen und Details mit einem Durchmesser von nur 1,5 Lichtjahren zu enthüllen, was diese Karte zu einer der höchstauflösenden Gaskarten macht, die jemals von einer anderen Galaxie erstellt wurden.

Die Beobachtung dieser Galaxie mit so hoher Auflösung ermöglichte es dem Team, die widersprüchlichen Ergebnisse eines Jahrzehnts zu überwinden und die wahre Natur des SMBH im Zentrum der Galaxie aufzudecken.

„Unsere Studie zeigt, dass wir mit dieser neuen Technik wirklich beginnen können, sowohl die Eigenschaften als auch die Ursprünge dieser mysteriösen Objekte zu erforschen“, fuhr Dr. Davis fort.

"Wenn es eine Mindestmasse für ein supermassives Schwarzes Loch gibt, haben wir sie noch nicht gefunden."

Die Ergebnisse der Studie wurden heute in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.


Wie die ersten supermassiven Schwarzen Löcher des Universums entstanden sind

Das links in dieser Zeichnung gezeigte massereiche Schwarze Loch kann schnell wachsen, da die intensive Strahlung einer nahegelegenen Galaxie die Sternentstehung in ihrer Wirtsgalaxie unterbindet. Bildnachweis: John Wise, Georgia Tech.

Supermassereiche Schwarze Löcher leben im Zentrum sehr großer Galaxien, einschließlich unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße.

Wie diese riesigen Schwarzen Löcher entstanden sind, hat Astrophysiker lange Zeit verwirrt.

Ein neuartiges theoretisches Modell, das vom Forscher der Dublin City University, John Regan, und Co-Autoren entwickelt wurde, bietet eine überzeugende Lösung, indem es die Strahlung benachbarter Galaxien als Katalysator für die Bildung supermassiver Schwarzer-Loch-Samen nutzt.

„Zu verstehen, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher bilden, sagt uns, wie sich Galaxien, einschließlich unserer eigenen, bilden und entwickeln, und sagt uns letztendlich mehr über das Universum, in dem wir leben“, sagte Dr. Regan.

In Computersimulationen zeigen er und seine Kollegen, dass ein Schwarzes Loch im Zentrum einer Protogalaxie schnell wachsen kann, wenn eine nahegelegene Protogalaxie genug Strahlung aussendet, um ihre Fähigkeit zur Sternenbildung auszuschalten.

Auf diese Weise behindert, wächst die Protogalaxie des Wirts bis zu ihrem endgültigen Kollaps und bildet ein Schwarzes Loch, das sich von dem verbleibenden Gas und später von Staub, sterbenden Sternen und möglicherweise anderen Schwarzen Löchern ernährt, um super gigantisch zu werden.

„Wenn sich Protogalaxien in unmittelbarer Nähe befinden, sterilisiert das starke Strahlungsfeld einer Protogalaxie die andere und verhindert so ihre Fähigkeit, Sterne zu bilden“, erklärten die Wissenschaftler.

„Die Masse der sterilisierten Galaxie nimmt jedoch weiter zu und erreicht schnell eine kritische Schwelle, jenseits derer die Bildung eines massiven Schwarzen Lochs unvermeidlich ist.“

"Diese massiven Schwarzen Löcher sammeln dann weiterhin alle Materialien, die in ihren Radius kommen, einschließlich anderer Schwarzer Löcher und Sterne."

„Die Gefräßigsten vergrößern ihre Masse um den Faktor von fast einer Million und es sind diese Schwarzen Löcher, die wir als Quasare sehen, die über die gesamte Länge des Universums leuchten“, sagten sie.

„Die nahe Galaxie darf nicht zu nah oder zu weit entfernt sein und wie beim Goldlöckchen-Prinzip nicht zu heiß oder zu kalt“, bemerkte Teammitglied Dr. John Wise von Georgia Tech.

„Der Kollaps der Galaxie und die Bildung eines Schwarzen Lochs mit Millionen Sonnenmasse dauert 100.000 Jahre – ein Schlag in kosmischer Zeit“, fügte Teammitglied Prof. Zoltan Haiman von der Columbia University hinzu.

„Ein paar hundert Millionen Jahre später ist es zu einem supermassiven Schwarzen Loch mit Milliarden Sonnenmasse angewachsen. Das ist viel schneller, als wir erwartet hatten.“

Die Ergebnisse des Teams wurden am 13. März online in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.

Die Forscher hoffen, ihre Theorie testen zu können, wenn das NASA-Weltraumteleskop James Webb, der Nachfolger von Hubble, nächstes Jahr online geht und Bilder aus dem frühen Universum zurückstrahlt.

John A. Regan et al. 2017. Rasche Bildung massereicher Schwarzer Löcher in unmittelbarer Nähe embryonaler Protogalaxien. Naturastronomie 1, Artikelnummer: 0075 doi: 10.1038/s41550-017-0075


Kolossale Ursterne könnten supermassereiche Schwarze Löcher gesät haben

Es wird angenommen, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher, die im Zentrum der meisten Galaxien lauern, einschließlich unserer eigenen, so groß geworden sind, dass sie über Milliarden von Jahren Materie verschlungen haben. Aber eine neue Studie legt nahe, dass sie möglicherweise eine Abkürzung genommen haben und ihr Leben als hypothetischer, urzeitlicher supermassiver Stern begonnen haben, der viel größer ist als jeder andere heute, der in einer kolossalen Supernova explodierte. Und vielleicht können wir bald die Reste entdecken.

Schwarze Löcher lassen sich aufgrund ihrer Masse meist in zwei verschiedene Klassen einteilen. Es gibt die Schwarzen Löcher mit stellarer Masse, deren Masse zwischen dem Fünf- und einigen Dutzend Mal größer ist als die der Sonne. Diese entstehen, wenn bestimmte Sterne ihren Treibstoffvorrat erschöpft haben und in sich zusammenfallen. Am anderen Ende der Skala befinden sich supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen.

Es wird allgemein angenommen, dass erstere über Milliarden von Jahren zu letzteren heranwächst, während sie Staub, Gas, Sterne, Planeten, andere Schwarze Löcher und alles andere, was sich zu nahe wagt, verschlingen. Diese Hypothese wird durch zunehmende Hinweise auf eine neue Klasse der sogenannten Schwarzen Löcher mittlerer Masse mit Massen zwischen dem 100- und 10.000-fachen der Sonnenmasse gestützt.

Leider ist die Geschichte nicht ganz so einfach. Frühe Sterne scheinen zwischen 100 und 200 Sonnenmassen zu übersteigen, und wenn sie zu Schwarzen Löchern kollabieren, müssten sie über lange Zeit riesige Mengen an Materie schlucken, um zu supermassiven Monstern heranzuwachsen. In vielen Fällen gibt es einfach nicht genug „Essen“. Außerdem haben Beobachtungen gezeigt, dass diese gigantischen Schwarzen Löcher ziemlich früh in der Lebensspanne des Universums erschienen sind, sodass sie buchstäblich nicht genug Zeit hätten, um durch diese Methode so groß zu werden.

Die Entstehungsgeschichte supermassereicher Schwarzer Löcher wird von Astronomen intensiv untersucht, aber eine faszinierende Möglichkeit besteht darin, dass sie eine Abkürzung genommen haben, indem sie aus „supermassereichen“ Sternen mit Massen im Bereich von Zehntausenden von Sonnen geboren wurden. Diese absoluten Bestien wären weitaus massereicher als jeder Stern, den wir je gesehen haben, und da die Physik möglicherweise nicht aufgeht, ist ihre Existenz fraglich. Sie wären jedoch eine bequeme Erklärung.

„Es könnte eine kleine Anzahl der ersten Sterne im frühen Universum mit Zehntausenden von Sonnenmassen geben“, sagt Ke-Jung Chen, ein Autor der Studie. „Sie sind wahrscheinlich die Vorläufer supermassereicher Schwarzer Löcher in Galaxien , denn je massiver der Samen des Schwarzen Lochs ist, desto effizienter ist es, die umgebende Materie zu verschlucken. Die Schwarzen Löcher müssen keine hohe Akkretionsrate aufrechterhalten, um schnell zu wachsen!“

Der schwierige Teil besteht darin, direkte Beweise für sie zu finden, denn wenn sie existierten, wären sie wahrscheinlich alle vor Milliarden von Jahren in Schwarze Löcher zusammengebrochen. Die meisten Befürworter der Theorie supermassereicher Sterne sagen voraus, dass sie direkt kollabieren würden, ohne dass es zur Supernova geht – aber Chen widerspricht.

In einem Artikel aus dem Jahr 2014 skizzierte Chen ein Modell dafür, wie ein primordialer supermassiver Stern mit etwa 55.000 Sonnenmassen eine Supernova durchlaufen könnte, die durch explosive Heliumverbrennung verursacht wird. In der neuen Studie simulierten Chen und sein Team die Strahlungsdynamik eines solchen Ereignisses und fanden heraus, dass sie noch Jahrzehnte nach dem Ereignis ein leuchtendes Leuchten abgeben sollten. Dies würde dank des Phänomens der Rotverschiebung extrem rot erscheinen, bei dem die Expansion des Universums die Lichtwellenlängen in Richtung des roten Endes des Spektrums ausdehnt.

Interessanterweise sollte dies in Nahinfrarot-Untersuchungen wie dem kommenden James Webb-Weltraumteleskop sichtbar sein. Dies bedeutet, so das Team, dass wir bald das Nachleuchten dieser supermassiven Stern-Supernovae erkennen und die Hypothese bestätigen könnten.

Oder vielleicht finden wir nichts und können sie von der Liste streichen. So oder so, es ist ein weiterer Grund, sich auf die Einführung des lang erwarteten Nachfolgers von Hubble zu freuen.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.


27: Aktive Galaxien, Quasare und supermassive Schwarze Löcher

  • Beigetragen von Andrew Fraknoi, David Morrison, & Wolff et al.
  • Von OpenStax bezogen

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts betrachteten Astronomen das Universum der Galaxien als überwiegend friedlichen Ort. Sie nahmen an, dass sich Galaxien vor Milliarden von Jahren gebildet haben und sich dann langsam entwickelten, während sich die Populationen der Sterne in ihnen bildeten, alterten und starben. Dieses ruhige Bild hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts völlig verändert.

Heute können Astronomen sehen, dass das Universum oft von heftigen Ereignissen geformt wird, einschließlich katastrophaler Explosionen von Supernovae, Kollisionen ganzer Galaxien und der enormen Energieausschüttung, wenn Materie mit der Umgebung sehr massereicher Schwarzer Löcher interagiert. Das Schlüsselereignis, das unsere Sicht auf das Universum zu verändern begann, war die Entdeckung einer neuen Klasse von Objekten: Quasare.

  • 27.1: Quasare Die ersten entdeckten Quasare sahen aus wie Sterne, hatten aber eine starke Radioemission. Ihre Spektren im sichtbaren Licht schienen zunächst verwirrend, aber dann erkannten Astronomen, dass sie viel größere Rotverschiebungen als Sterne hatten. Die bisher erhaltenen Quasarspektren zeigen Rotverschiebungen im Bereich von 15% bis über 96% der Lichtgeschwindigkeit. Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop zeigen, dass Quasare in den Zentren von Galaxien liegen und dass sowohl Spiralen als auch Ellipsen Quasare beherbergen können.
  • 27.2: Supermassive Schwarze Löcher – Was Quasare wirklich sind Sowohl aktive galaktische Kerne als auch Quasare beziehen ihre Energie aus Material, das auf ein massives Schwarzes Loch fällt und eine heiße Akkretionsscheibe um dieses herum bildet. Dieses Modell kann die große Menge der abgegebenen Energie und die Tatsache, dass die Energie auf relativ kleinem Raum produziert wird, berücksichtigen. Es kann auch erklären, warum von diesen Objekten ausgehende Jets in zwei Richtungen gesehen werden: Diese Richtungen sind senkrecht zur Akkretionsscheibe.
  • 27.3: Quasare als Sonden der Evolution im Universum Quasare und Galaxien beeinflussen sich gegenseitig: Die Galaxie versorgt das Schwarze Loch mit Treibstoff, der Quasar erhitzt und stört die Gaswolken in der Galaxie. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Prozessen hilft wahrscheinlich zu erklären, warum das Schwarze Loch immer etwa 1/200 der Masse der kugelförmigen Sternenwulst, die das Schwarze Loch umgibt, zu haben scheint. Quasare waren vor Milliarden von Jahren viel häufiger als heute, und Astronomen spekulieren, dass sie ein frühes Stadium der Entstehung von Galaxien darstellen.
  • 27.E: Aktive Galaxien, Quasare und supermassive Schwarze Löcher (Übungen)

Miniaturansichten: Das tiefste Bild des Himmels im sichtbaren Licht (links) zeigt eine riesige Anzahl von Galaxien in einem winzigen Himmelsfleck, nur 1/100 der Fläche des Vollmonds (Credit Modifikation der Arbeiten von NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI)).


Neue Studie sagt, dass nicht alle Schwarzen Löcher ihr Leben als Sterne begannen

Von Nicole Karlis - Keith A. Spencer
Veröffentlicht 30. Juni 2019 10:00 (EDT)

Anteile

Astrophysiker haben indirekte Beweise für die Entstehung von Schwarzen Löchern gefunden, die, wenn sie bestätigt werden, unser Verständnis dieser Sternphänomene auf den Kopf stellen könnten.

Ein in Astrophysical Journal Letters veröffentlichter Artikel der Forscher Shantanu Basu und Arpan Das von der University of Western Ontario liefert Beweise dafür, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher bilden können, ohne dass ein sehr großer Stern implodiert. Vielmehr sagt die Studie, dass einige supermassereiche Schwarze Löcher in sehr kurzer Zeit sehr schnell wachsen und dann plötzlich aufhören zu wachsen. Das neue Modell liefert Wissenschaftlern eine Erklärung dafür, wie Schwarze Löcher in den sehr frühen Stadien unseres Universums entstanden sind.

„Dies ist ein indirekter Beobachtungsbeweis dafür, dass Schwarze Löcher von direkten Kollaps und nicht von stellaren Überresten stammen“, sagte Basu, ein Astronomieprofessor an der University of Western Ontario, in einer Pressemitteilung.

Die meisten uns bekannten Schwarzen Löcher entstehen im Herzen sehr großer Sterne, die viele Massen größer als unsere Sonne sind. Sterne verschmelzen per Definition kleinere Atomkerne zu schwereren, in Prozessen, die sukzessive größere und schwerere Kerne innerhalb des Sterns erzeugen. In einem ausreichend massereichen Stern mit einem sehr dichten Kern wird die Gravitationskraft schließlich die anderen abstoßenden Kräfte überwinden, die die Kerne auseinander halten, was zu einem spontanen Kollaps zu einem einzigen Punkt führt, dessen Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist – um Definition, ein schwarzes Loch.

Solche Zusammenbrüche sind normalerweise mit einer begleitenden massiven Explosion der äußeren Hülle des Sterns aus Gas und Staub verbunden. Diese Explosionen erzeugen stellare Nebel, aus denen sich neue Sterne und Sonnensysteme (einschließlich unseres eigenen) bilden.

Aber die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher, die das Zehn- oder Zwanzigfache unserer Sonnenmasse überschreiten, stellte Astronomen vor ein Problem. Wie sind sie entstanden, wenn nicht aus einem einzigen zusammenbrechenden Stern? Das Szenario des "direkten Kollapses", das Basu und Das belegen, legt nahe, dass eine große Menge interstellaren Gases und Staubes möglich ist (nicht ein Stern), um spontan in ein unglaublich massereiches Schwarzes Loch geschoben zu werden – eines, das viel größer ist als die, die von einzelnen Sternen erzeugt werden, die zur Supernova werden.

Der Astronom Ethan Siegel hat den theoretischen Prozess des direkten Kollapses zuvor in einem Forbes-Artikel erklärt:

Eine Region des Weltraums kollabiert, um Sterne zu bilden, während eine nahe gelegene Region des Weltraums ebenfalls einen Gravitationskollaps durchgemacht hat, aber noch keine Sterne gebildet hat.

Die Region mit Sternen emittiert eine intensive Strahlungsmenge, in der der Photonendruck das Gas in der anderen Wolke daran hindert, in potenzielle Sterne zu zerfallen.

Die Wolke selbst kollabiert weiterhin monolithisch. Es gibt dabei Energie (Strahlung) ab, jedoch ohne Sterne im Inneren.

Wenn eine kritische Schwelle überschritten wird, kollabiert diese riesige Masse, vielleicht das Hunderttausend- oder sogar Millionenfache der Masse unserer Sonne, direkt und bildet ein Schwarzes Loch.

Aus diesem massiven, frühen Samen ist es einfach, einfach durch die Physik der Gravitation, Verschmelzung, Akkretion und Zeit supermassereiche Schwarze Löcher zu erhalten.

„Supermassive Schwarze Löcher hatten nur eine kurze Zeitspanne, in der sie schnell wachsen konnten, und irgendwann kam ihre Produktion aufgrund der ganzen Strahlung im Universum, die von anderen Schwarzen Löchern und Sternen erzeugt wurde, zum Erliegen“, sagte Basuu . "Das ist das Direktkollaps-Szenario."

In den letzten zehn Jahren wurden mehrere supermassereiche Schwarze Löcher entdeckt, die eine Milliarde Mal mehr Masse haben als die Sonne. Es wird angenommen, dass diese supermassereichen Schwarzen Löcher 800 Millionen Jahre nach dem Urknall in unserem Universum aufgetaucht sind – vergleichsweise schnell, da man annimmt, dass sich Galaxien erst 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall gebildet haben. Diese beiden Tatsachen hängen anscheinend zusammen, da angenommen wird, dass alle Galaxien in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch haben, um das die restlichen Objekte in der Galaxie kreisen.

Diese Schwarzen Löcher im frühen Universum haben unser Verständnis ihrer Entstehung und ihres Wachstums im Universum in Frage gestellt. Im März gaben Astronomen bekannt, dass sie 83 neue supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entdeckt hatten, was eine Zeit darstellt, in der das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war.

Es war ein großes Jahr für die Erforschung von Schwarzen Löchern. Am 10. April präsentierte die Event Horizon Telescope Collaboration (EHT) das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs. Der verschwommene Verbund verkörperte über zwei Jahrhunderte Fortschritte in Mathematik, Naturwissenschaften und Elektronik. Vor dem Bild standen nur künstlerische Illustrationen zur Verfügung, um die mysteriösen Singularitäten darzustellen, die aufgrund ihrer riesigen Massen das Raumzeit-Kontinuum verzerren und eine solche Anziehungskraft erzeugen, dass nicht einmal Licht entweichen kann.

Nicole Karlis

Nicole Karlis ist angestellte Autorin bei Salon. Tweete ihr @nicolekarlis.

Keith A. Spencer

Keith A. Spencer ist leitender Redakteur bei Salon. Er leitet die Bereiche Wissenschaft, Technologie, Wirtschaft und Krankenversicherung von Salon. Sein Buch "A People's History of Silicon Valley: How the Tech Industry Exploits Workers, Erodes Privacy and Undermines Democracy" wurde 2018 veröffentlicht. Folgen Sie ihm auf Twitter unter @keithspencer oder hier auf Facebook.

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Zum ersten Mal überhaupt haben wir gesehen, wie ein Schwarzes Loch lautlos geboren wurde — keine Supernova erforderlich

Astronomen haben zum ersten Mal in der Geschichte gesehen, wie ein sterbender Stern zu einem schwarzen Loch wird. Der überraschende Teil? Dieses bedeutsame Ereignis war nicht von einer feurigen Supernova geprägt.

Die expandierende Hülle (von links nach rechts) einer gescheiterten Roten Überriesennova.
Bildnachweis NASA.

Der Star der Show ist/war N6946-BH1, ein massereicher Sternkörper, der etwa das 25-fache unserer eigenen Sonne beträgt. Früher befand sie sich etwa 22 Millionen Lichtjahre entfernt in der Galaxie NGC 6946 oder “Fireworks Galaxy”, die nach ihren spektakulären und häufigen Supernova-Aktivitäten benannt wurde. Ab 2009 begann sich N6946-BH1 leicht aufzuhellen und bis 2005 schien es ganz verschwunden zu sein.

Um herauszufinden, was mit dem Stern passiert ist, wies ein Forscherteam unter der Leitung von Christopher Kochanek, Professor für Astronomie an der Ohio State University und dem Ohio Eminent Scholar in Observational Cosmology, auf das geschäftliche Ende des Large Binocular Telescope (LBT) bei NGC 6946 hin , um vom Stern ausgehende Infrarotstrahlung aufzunehmen. Sie fanden den Stern nicht – eher waren sie überrascht zu sehen, dass ein Schwarzes Loch lautlos entstanden war, nachdem NGC 6946 verpufft war.

Ausgehen ohne Knall

Kochanek leitet ein Team von Astronomen, die die letzten 7 Jahre damit verbracht haben, mit dem LBT im Weltraum herumzustöbern und nach “Kernzusammenbrüchen massereicher Sterne zu suchen, die Schwarze Löcher ohne leuchtende Novae bilden, aber dies ist das erste, das sie identifiziert haben.

Nachdem NGC 6946 ausgestorben war, richteten sie den Blick des Hubble-Weltraumteleskops auf seine Position, um zu sehen, ob es nur unter das sichtbare Niveau verdunkelte, und das Spitzer-Weltraumteleskop, um zu sehen, ob von diesem Punkt aus Infrarotstrahlung ausgeht was ein Zeichen dafür gewesen wäre, dass der Stern von einer Staub- oder Denkgaswolke verdeckt wurde.

Alle Messwerte waren negativ, so dass die Instrumente in jeder Hinsicht berichteten, dass dort, wo N6946-BH1 früher war, kein Stern war. Durch einen Eliminationsprozess kam das Team schließlich zu dem Schluss, dass der Stern unter unserer Nase zu einem schwarzen Loch zusammengebrochen war.

Wir wissen nicht genau, wie dieser Übergang ablaufen könnte, ohne dass auch eine Supernova stattfindet. Wir wissen also auch nicht, wie oft es passiert, aber Scott Adams, Erstautor und ehemaliger Student der Ohio State, der seinen Ph.D. konnte mit dem Papier eine vorläufige Einschätzung abgeben.

“N6946-BH1 ist die einzige wahrscheinlich gescheiterte Supernova, die wir in den ersten sieben Jahren unserer Untersuchung gefunden haben. Während dieser Zeit sind in den von uns beobachteten Galaxien sechs normale Supernovae aufgetreten, was darauf hindeutet, dass 10 bis 30 Prozent der massereichen Sterne als gescheiterte Supernovae sterben, sagte er.

Sicher, es ist eine grobe Schätzung, aber bis wir mehr Schwarze Löcher entdecken können, die sich auf diese Weise bilden, ist dies eine gute Richtlinie.

Stealth-Babys

Diese novalosen Schwarzen Löcher sind das Ergebnis dessen, was das Team in erster Linie aufdecken wollte. Sie wollten verstehen, wie sich massereiche Schwarze Löcher – wie sie das LIGO-Experiment über Gravitationswellen entdeckte – im Gefolge von Supernovae entstehen können.

Sehen Sie, wenn Sie darüber nachdenken, sind Supernovae eine sehr ineffiziente, fast nicht intuitive Art, ein Schwarzes Loch zu bilden. Während einer Supernova wird ein Stern einen Großteil seiner äußeren Schichten und einen erheblichen Teil seiner Masse wegblasen – und je größer der Stern ist, desto mehr Masse stößt er aus. Sie brauchen also einen wirklich fetten Stern am oberen Ende der roten Überriesenskala, um die lächerlichen Mengen an Materie zu liefern, die für eine Supernova benötigt werden, und haben immer noch genug übrig für ein massives Schwarzes Loch, wie es LIGO aufgenommen hat.

Aber es gibt einen deutlichen Mangel an “-Roten Überriesen SN-Vorläufern mit hoher Masse”, so die Autoren, was bedeutet, dass wir nicht wirklich sehen, dass sich nach der Explosion dieser Sterne schwarze Löcher bilden. Diese stille Geburt mitzuerleben, könnte helfen zu erklären, warum Supernovae in diesen Sternen selten zu sehen sind, sagte Kochanek und erklärt gleichzeitig, warum es so viele große Schwarze Löcher gibt. Das Team schätzt, dass bis zu 30% dieser Sterne leise zu Schwarzen Löchern kollabieren könnten, ohne dass eine Supernova stattfindet.

“Die typische Ansicht ist, dass ein Stern erst dann ein Schwarzes Loch bilden kann, nachdem er zur Supernova geworden ist,” Kochanek.

“Wenn ein Stern eine Supernova verfehlen und trotzdem ein Schwarzes Loch bilden kann, würde das erklären, warum wir keine Supernovae von den massereichsten Sternen sehen.”

Das Team kommt zu dem Schluss, dass, wenn N6946-BH1 als gescheiterte Supernova bestätigt wird, dies das Fehlen von Schwarzen Löchern, die von roten Überriesen gezeugt wurden, erklären würde und wie sich einige der massereicheren dort draußen überhaupt gebildet haben.

Der vollständige Artikel “Die Suche nach gescheiterten Supernovae mit dem Large Binocular Telescope: Constraints from 7 yr of data” wurde in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.


Können Sterne jemals supermassereiche Schwarze Löcher bilden? - Astronomie

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[MUSIK] Wenn Sie in einer klaren Nacht nach oben schauen, können Sie Sterne in alle Richtungen über den Himmel verteilen, es sei denn, Sie befinden sich in der Stadt. In diesem Fall haben Sie Glück, überhaupt Sterne zu sehen. Aber wenn Sie das Glück haben, an einem dunklen Ort abseits der Lichter der Stadt zu sein, sehen Sie vielleicht sogar das Band der Milchstraße, das sich von einem Horizont zum anderen erstreckt. Dies ist die Scheibe unserer eigenen Galaxie, in der die Konzentration der Sterne so dicht ist, dass sie als milchiges Lichtband erscheint, da unsere Augen die einzelnen Sterne nicht unterscheiden können. Aber was wir mit unseren Augen sehen, ist nur ein kleiner Teil des Gesamtbildes. Unsere Augen können nur Licht und den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen. Wie würde der Himmel aussehen, wenn unsere Augen Radiowellen oder Röntgenstrahlen sehen könnten? Galaxien bestehen nicht nur aus Sternen, sie enthalten auch viel Gas und Staub und im Herzen aller großen Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch, das Millionen- oder sogar Milliarden Mal die Masse unserer Sonne hat, in einen Raum gequetscht kleiner als unser Sonnensystem. Obwohl diese Schwarzen Löcher im Vergleich zu einer ganzen Galaxie sehr klein sind, können sie einen großen Einfluss auf das Wachstum und die Bildung der Galaxie haben. In Fällen, in denen sich im zentralen Bereich der Galaxie viel Gas befindet, kann dieses Material über eine Akkretionsscheibe an das Schwarze Loch angelagert werden und dabei viel Energie freisetzen. Dies nennen wir einen aktiven galaktischen Kern oder AGN. Die vom AGN erzeugte Strahlung ist so hell, dass sie die gesamte Galaxie überstrahlen kann und weit mehr Energie erzeugt als alle Sterne der Galaxie zusammen. Der Akkretionsprozess kann auch riesige Jets starker Magnetfelder bilden, die von der Umgebung des Schwarzen Lochs ausgehen. Und sich schnell bewegende Elektronen, die sich um diese Magnetfelder drehen, erzeugen riesige Mengen an Radioemissionen. Diese Radiojets können zu enormen Größen anwachsen und sich manchmal weit über die Galaxie hinaus erstrecken und einen Durchmesser von Millionen von Lichtjahren haben. Sie können auch Informationen über die vergangene Aktivität des zentralen Schwarzen Lochs liefern. Ähnlich wie verschiedene Gesteins- und Sedimentschichten in der Erdoberfläche Einblicke in vergangene geologische Umgebungen geben können, sind in der Struktur der Radiojets verschiedene Epochen der Akkretionsaktivität markiert. Allerdings haben nicht alle Galaxien AGN und nicht alle AGN produzieren Radiojets. Tatsächlich produzieren nur etwa 10 % der aktiven galaktischen Kerne Radiojets. Zu entdecken, was einen aktiven Kern verursacht und warum nur einige von ihnen riesige Jets haben, ist eine der wichtigsten unbeantworteten Fragen zur Galaxienentstehung. Das Studium dieser Galaxien in verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums gibt uns ergänzende Informationen über verschiedene Teile der aktiven galaktischen Kerne. Zum Beispiel ist die Strahlung der Akkretionsscheibe bei optischen und ultravioletten Wellenlängen am hellsten. Während Infrarotstrahlung aus den staubigen Regionen kommt, die das Schwarze Loch umgeben. Die Jets produzieren viele Radioemissionen und heißes Gas, das die zentrale Schwarzlochregion umgibt, kann Röntgenstrahlung erzeugen. Und um die Physik dieser Galaxien vollständig zu verstehen, müssen wir all diese Informationen zusammenfügen, um ein vollständiges Bild von AGN zu erhalten. [MUSIK]


Nordwestliches Jetzt

Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yusef-Zadeh et al. B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

EVANSTON - Im Zentrum unserer Galaxie, in unmittelbarer Nähe ihres supermassereichen Schwarzen Lochs, befindet sich eine Region, die von starken Gezeitenkräften heimgesucht und in intensives ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlung getaucht wird. Astronomen vermuteten lange, dass diese harten Bedingungen die Sternentstehung nicht begünstigen, insbesondere nicht massearme Sterne wie unsere Sonne.

Neue Beobachtungen der internationalen Astronomieeinrichtung ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) deuten nach neu veröffentlichten Erkenntnissen unter der Leitung des Astronomen der Northwestern University, Farhad Yusef-Zadeh, auf etwas anderes hin.

ALMA hat die verräterischen Anzeichen von 11 massearmen Sternen enthüllt, die sich innerhalb von drei Lichtjahren in gefährlicher Nähe zum supermassiven Schwarzen Loch der Milchstraße bilden, das Astronomen als Sagittarius A* (Sgr A*) bekannt ist. In dieser Entfernung sollten die vom supermassiven Schwarzen Loch angetriebenen Gezeitenkräfte energiereich genug sein, um Staub- und Gaswolken auseinanderzureißen, bevor sie Sterne bilden können.

Die Anwesenheit dieser neu entdeckten Protosterne (die Entstehungsstufe zwischen einer dichten Gaswolke und einem jungen, leuchtenden Stern) lässt vermuten, dass die Bedingungen für die Geburt massearmer Sterne sogar in einer der turbulentesten Regionen unserer Galaxie und möglicherweise vorhanden sind an ähnlichen Orten im ganzen Universum.

„Trotz aller Widrigkeiten sehen wir die bisher besten Beweise dafür, dass sich massearme Sterne in überraschender Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße bilden“, sagte Zadeh, Hauptautor der Studie. „Dies ist ein wirklich überraschendes Ergebnis und eines, das zeigt, wie robust Sternentstehung selbst an den unwahrscheinlichsten Orten sein kann.“

Die ALMA-Daten legen auch nahe, dass diese Protosterne etwa 6.000 Jahre alt sind. „Dies ist wichtig, weil es die früheste Phase der Sternentstehung ist, die wir in dieser äußerst lebensfeindlichen Umgebung gefunden haben“, sagte Zadeh.

Das Forscherteam identifizierte diese Protosterne, indem es die klassischen „Doppellappen“ aus Material sah, die jeden von ihnen einschließen. Diese kosmischen sanduhrähnlichen Formen signalisieren die frühen Stadien der Sternentstehung. Moleküle wie Kohlenmonoxid in diesen Lappen leuchten hell im Millimeterwellenlängenlicht, das ALMA mit bemerkenswerter Präzision und Empfindlichkeit beobachten kann.

Protosterne entstehen aus interstellaren Staub- und Gaswolken. Dichte Materialtaschen in diesen Wolken kollabieren unter ihrer eigenen Schwerkraft und wachsen, indem sie immer mehr sternbildendes Gas aus ihren Mutterwolken ansammeln. Ein Teil dieses einfallenden Materials schafft es jedoch nie auf die Oberfläche des Sterns. Stattdessen wird es als Paar Hochgeschwindigkeitsjets vom Nord- und Südpol des Protosterns ausgestoßen. Extrem turbulente Umgebungen können die normale Prozessierung von Material auf einen Protostern stören, während intensive Strahlung – von massereichen nahen Sternen und supermassereichen Schwarzen Löchern – die Mutterwolke wegsprengen kann und die Bildung aller Sterne außer den massereichsten vereitelt.

Das galaktische Zentrum der Milchstraße mit seinem vier Millionen Sonnenmassen schwarzen Loch befindet sich etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbildes Schütze. Riesige Vorräte an interstellarem Staub verdecken diese Region und verstecken sie vor optischen Teleskopen. Radiowellen, einschließlich des Millimeter- und Submillimeterlichts, das ALMA sieht, können diesen Staub durchdringen und geben Radioastronomen ein klareres Bild von der Dynamik und dem Inhalt dieser lebensfeindlichen Umgebung.

Frühere Beobachtungen der Region um Sgr A* durch Zadeh und sein Team hatten mehrere massereiche Säuglingssterne ergeben, aber der Befund war nicht schlüssig. Diese als Proplyds bekannten Objekte sind in ruhigeren Sternentstehungsregionen, wie dem Orionnebel, üblich. Die neuen Messungen liefern schlüssigere Beweise für die Aktivität junger Sterne. Obwohl das galaktische Zentrum eine schwierige Umgebung für die Sternentstehung darstellt, ist es für besonders dichte Kerne aus Wasserstoffgas möglich, die notwendige Schwelle zu überschreiten und neue Sterne zu schmieden.

Die neuen ALMA-Beobachtungen enthüllten jedoch etwas noch Bemerkenswerteres: Anzeichen dafür, dass sich innerhalb eines Parsec – knapp drei Lichtjahren – des zentralen Schwarzen Lochs der Galaxie 11 Protosterne mit geringer Masse bilden. Zadeh und sein Team verwendeten ALMA, um zu bestätigen, dass die Massen- und Impulsübertragungsraten – die Fähigkeit der Protostern-Jets, durch umgebendes interstellares Material zu pflügen – mit jungen Protosternen übereinstimmen, die in der gesamten Scheibe unserer Galaxie zu finden sind.

„Diese Entdeckung liefert den Beweis, dass die Sternentstehung in überraschend nahen Wolken in der Nähe von Sagittarius A* stattfindet“, sagte Al Wootten vom National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, und Co-Autor der Studie. „Obwohl diese Bedingungen alles andere als ideal sind, können wir uns mehrere Wege vorstellen, auf denen diese Sterne entstehen.“

Um dies zu erreichen, müssten äußere Kräfte die Gaswolken in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie komprimieren, um die gewalttätige Natur der Region zu überwinden und die Schwerkraft zu ermöglichen und Sterne zu bilden. Die Astronomen spekulieren, dass Hochgeschwindigkeits-Gaswolken bei der Sternentstehung helfen könnten, wenn sie sich ihren Weg durch das interstellare Medium bahnen. Es ist auch möglich, dass Jets aus dem Schwarzen Loch selbst in die umgebenden Gaswolken pflügen, Material komprimieren und diesen Ausbruch der Sternentstehung auslösen.

„Der nächste Schritt besteht darin, einen genaueren Blick darauf zu werfen, um zu bestätigen, dass diese neu gebildeten Sterne von staubigen Gasscheiben umkreist werden“, sagte Mark Wardle, Astronom an der Macquarie University in Sydney, Australien, und Mitforscher im Team. „Wenn ja, werden sich wahrscheinlich aus diesem Material irgendwann Planeten bilden, wie es bei jungen Sternen in der galaktischen Scheibe der Fall ist.“

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.