Astronomie

Könnten Schwarze Löcher schwerere Elemente schmieden, die noch entdeckt werden müssen?

Könnten Schwarze Löcher schwerere Elemente schmieden, die noch entdeckt werden müssen?

Beobachtungen

  • Die schwersten Elemente, die in der Natur im Überfluss bekannt sind, werden tief in den Sternen geschmiedet.

  • Diese Elemente werden durch die hohen Dichten/Drucke innerhalb der Sterne ermöglicht.

  • Schwarze Löcher haben bekanntlich eine viel höhere Dichte/Druck als jeder bekannte Stern.

  • Schwarze Löcher sind auch als eine Phase der Sternentwicklung bekannt - Dies deutet darauf hin, dass der interne Prozess des Schmiedens von Metallen des ursprünglichen Sterns innerhalb des resultierenden Schwarzen Lochs fortbestehen würde.

  • Wissenschaftler haben synthetische/ephemere Schwermetalle unter Bedingungen geschmiedet, die hypothetisch in einem Schwarzen Loch aufrechterhalten werden könnten.

Hypothese:

Schwarze Löcher schmieden schwerere Elemente, die auf der Erde nicht beobachtet wurden. Die Bedingungen, die erforderlich sind, um diese Elemente aufrechtzuerhalten, sind aufgrund seiner hohen Dichte/Drücke einzigartig für das Schwarze Loch. Diese Bedingungen lassen sich erahnen, aber in keinem experimentellen Kontext aufrechterhalten

Folgefragen:

  • Wurde dies vermutet?

  • Wo finde ich Forschung zu diesem Thema?


Das Problem der superschweren Elemente ist nicht, dass wir sie nicht fälschen können. Ihr Problem ist, dass sie sehr schnell zerfallen. Oganesson beispielsweise, das schwerste bisher synthetisierte Element, hat eine Halbwertszeit von 181 ms.

Theoretisch könnten in Teilchenbeschleunigern noch viel schwerere Elemente erzeugt werden, aber es gibt keine Möglichkeit, sie überhaupt zu entdecken.

In Neutronensternen oder explodierenden Supernovae werden alle Elemente erzeugt, aber es gibt keine Möglichkeit, sie überhaupt zu entdecken. Wir können einen Neutronenstern als einen großen Kern mit consider $ca. 10^{56}$ Neutronen.1

Fakt ist bei Schwarzen Löchern, dass niemand weiß, was in ihnen steckt. Sie strahlen nichts aus (mit einer ganz kleinen Ausnahme), und nichts verlässt die Singularität in ihnen. Um zu verstehen, was in ihnen steckt, bräuchte es derzeit unrealistische Fortschritte in der Physik. Die Singularität in ihrem Zentrum ist jedoch wahrscheinlich keine baryonische Materie, daher können wir kaum sagen, dass es sich um ein chemisches Element handelt.

1Wie der ausgezeichnete Kommentar von @PM2Ring sagt, haben Neutronensterne auch eine beträchtliche Anzahl anderer Teilchen, nicht nur Neutronen. Ich erweitere auch, dass sie gravitativ gebunden sind und nicht durch die starke Wechselwirkung, was sie in dieser Hinsicht wesentlich von Kernen unterscheidet.


Die schwersten Elemente, die in der Natur bekannt sind, werden tief in den Sternen geschmiedet.

Nein, die schwersten Elemente werden auf der Erde in wissenschaftlichen Labors oder in der extremen Schwerkraft der Kruste eines Neutronensterns hergestellt.

Diese Elemente werden durch die hohen Dichten/Temperaturen/Drucke innerhalb der Sterne ermöglicht.

Viele der größeren Elemente können in Supernova- und Neutronenstern-Kollisionen erzeugt werden, nicht in Sternen. Die Bildung dieser Elemente erfordert extreme Bedingungen.

Schwarze Löcher haben bekanntlich eine viel höhere Dichte/Temperatur/Druck als jeder bekannte Stern.

Schwarze Löcher sind eigentlich sehr kalt, sie "absorbieren" jede Strahlung, die ihren Ereignishorizont passiert. Außerhalb des Ereignishorizonts kann sich sehr heißes Material befinden, aber es ist nicht wirklich so heiß im Vergleich zum Kern eines Sterns.

Schwarze Löcher sind auch als eine Phase der Sternentwicklung bekannt – dies deutet darauf hin, dass der interne Prozess des Schmiedens von Metallen des ursprünglichen Sterns im resultierenden Schwarzen Loch fortbestehen würde.

Nein, im Inneren des Schwarzen Lochs fällt alles und erreicht in kurzer Zeit eine Singularität.

Wissenschaftler haben synthetische/ephemere Schwermetalle unter Bedingungen geschmiedet, die hypothetisch in einem Schwarzen Loch aufrechterhalten werden könnten.

Wie oben sind die Bedingungen jenseits des Ereignishorizonts anders als alles, was wir auf der Erde haben, weil es die unvermeidliche Singularität gibt.

Nachdem einige Materie den Ereignishorizont überschritten hat, wird es sicherlich zur Singularität kommen. (auf die gleiche Weise, die Sie sicherlich morgen erreichen werden) Und je näher es kommt, desto größer werden die Gezeiteneffekte, die schließlich die Atome auseinanderreißen. Die extreme Schwerkraft in einem Schwarzen Loch wird dazu neigen, Materie auseinander zu ziehen und sie nicht zu größeren Atomen zu verschmelzen.

In der Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch kann eine Nukleosynthese stattfinden. Obwohl die Menge der hier hergestellten Atome mit hoher Masse relativ gering ist, kann sie nützlich sein, um Schwarze Löcher zu erkennen und von Neutronensternen oder Weißen Zwergen zu unterscheiden.


Superschwere Elemente haben aufgrund ihrer extremen Instabilität in Bezug auf Alphazerfall und -spaltung kurze Halbwertszeiten. Dies ist auf ihre hohe elektrische Ladung zurückzuführen, die zu starken elektrischen Abstoßungskräften führt. Obwohl Theoretiker aufgrund von quantenmechanischen Schaleneffekten eine "Insel der Stabilität" vorhergesagt haben, ist diese Stabilität relativ. Wir sprechen immer noch von Halbwertszeiten in der Größenordnung von Sekunden oder weniger. Ein solches Element, das durch astrophysikalische Prozesse erzeugt wird, wird also nicht sehr lange überleben, selbst wenn es nicht in das Schwarze Loch fällt.

Es ist also denkbar, dass in der Akkretionsscheibe außerhalb des Ereignishorizonts einige Fusionsereignisse auftreten, die zur Bildung superschwerer Elemente führen, aber diese Elemente würden nicht sehr lange überleben, selbst wenn sie irgendwie ausgeworfen würden, anstatt über den Horizont zu fallen. Und die üblichen Methoden zum Nachweis und zur Charakterisierung superschwerer Elemente würden hier nicht funktionieren. Normalerweise suchen wir nach Dingen wie Alpha-Zerfallsketten mit charakteristischen Alpha-Energien. Diese wären von außerhalb der Akkretionsscheibe nicht nachweisbar, da geladene Teilchen stark mit Materie wechselwirken und gestoppt werden.

Die Bedingungen, die erforderlich sind, um diese Elemente aufrechtzuerhalten, sind aufgrund seiner hohen Dichte/Drücke einzigartig für das Schwarze Loch.

Der größte Teil des Inneren eines Schwarzen Lochs (innerhalb des Ereignishorizonts) ist wahrscheinlich ein extrem gutes Vakuum. Die einzigen hohen Dichten und Drücke wären in der Nähe der Singularität. Exotische Materie, die bei hoher Dichte und hohem Druck gebildet wird, wäre also von der Erde aus nicht beobachtbar oder hätte Konsequenzen für das äußere Universum, da nichts aus dem Inneren des Ereignishorizonts entweichen kann.

Wenn wir eine Raumsonde in ein Schwarzes Loch schicken würden, um nach exotischer Materie zu suchen, die sich in der Nähe der Singularität bildet, könnte die Sonde ihre Ergebnisse nicht zurückmelden. Außerdem würde der Bereich mit hoher Dichte und hohem Druck einfallender Materie in der Nähe der Singularität existieren, die für die Sonde wahrscheinlich nicht nachweisbar wäre, bis die Sonde selbst durch die gleichen Prozesse zerstört worden wäre. (Wenn die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist, kann man im Inneren eines Schwarzen Lochs die Singularität nicht sehen. Man sieht nur einfallende Photonen von außen.)

Wenn sich in der Nähe der Singularität exotische Materie bildet, existiert sie nur für sehr kurze Zeit, bevor sie sich auf der Singularität ansammelt. (IIRC, die maximale Einfallszeit für ein Schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen liegt in der Größenordnung von Millisekunden vom Horizont bis zur Singularität.) Wir wissen nicht wirklich, was an der Singularität passiert, aber wir können sicherlich keine Atomkerne darunter haben Bedingungen.


Urzeitliche Schwarze Löcher könnten dazu beigetragen haben, schwere Elemente zu schmieden

Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns. Bildnachweis: NASA

Astronomen sagen gerne, dass wir die Nebenprodukte von Sternen sind, Sternöfen, die vor langer Zeit Wasserstoff und Helium durch den Prozess der stellaren Nukleosynthese zu den für das Leben notwendigen Elementen verschmolzen haben.

Wie es der verstorbene Carl Sagan einmal formulierte: „Der Stickstoff in unserer DNA, das Kalzium in unseren Zähnen, das Eisen in unserem Blut, der Kohlenstoff in unseren Apfelkuchen wurden im Inneren kollabierender Sterne hergestellt. Wir bestehen aus Sternenmaterial. "

Aber was ist mit den schwereren Elementen im Periodensystem, Elementen wie Gold, Platin und Uran?

Astronomen glauben, dass die meisten dieser "r-Prozess-Elemente" - Elemente, die viel schwerer als Eisen sind - entweder nach dem Kollaps massereicher Sterne und den damit verbundenen Supernova-Explosionen oder bei der Verschmelzung von binären Neutronensternsystemen entstanden sind.

"Um Gold, Platin, Uran und die meisten anderen Elemente, die schwerer als Eisen sind, zu schmieden, war eine andere Art von Ofen erforderlich", erklärte George Fuller, ein theoretischer Astrophysiker und Professor für Physik, der das Zentrum für Astrophysik und Weltraumwissenschaften der UC San Diego leitet. "Diese Elemente haben sich höchstwahrscheinlich in einer Umgebung gebildet, die reich an Neutronen ist."

In einem am 7. August in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Physische Überprüfungsschreiben, bieten er und zwei andere theoretische Astrophysiker der UCLA – Alex Kusenko und Volodymyr Takhistov – eine andere Möglichkeit an, mit der Sterne diese schweren Elemente hätten produzieren können: winzige Schwarze Löcher, die mit Neutronensternen in Kontakt kamen und von diesen eingefangen werden und sie dann zerstören.

Neutronensterne sind die kleinsten und dichtesten Sterne, die es gibt, so dicht, dass ein Löffel ihrer Oberfläche eine äquivalente Masse von drei Milliarden Tonnen hat.

Winzige Schwarze Löcher sind spekulativer, aber viele Astronomen glauben, dass sie ein Nebenprodukt des Urknalls sein könnten und dass sie jetzt einen Teil der "dunklen Materie" ausmachen könnten - das unsichtbare, fast nicht wechselwirkende Material, das Beobachtungen zeigen, existiert im Universum.

Wenn diese winzigen Schwarzen Löcher der Verteilung der Dunklen Materie im Weltraum folgen und mit Neutronensternen koexistieren, behaupten Fuller und seine Kollegen in ihrer Arbeit, dass eine interessante Physik stattfinden würde.

Sie berechnen, dass in seltenen Fällen ein Neutronenstern ein solches Schwarzes Loch einfängt und dann von innen nach außen verschlingt. Dieser heftige Prozess kann dazu führen, dass ein Teil der dichten Neutronensternmaterie in den Weltraum ausgestoßen wird.

"Kleine Schwarze Löcher, die beim Urknall entstanden sind, können in einen Neutronenstern eindringen und ihn von innen auffressen", erklärte Fuller. "In den letzten Millisekunden des Untergangs des Neutronensterns reicht die Menge an ausgestoßenem neutronenreichem Material aus, um die beobachteten Häufigkeiten schwerer Elemente zu erklären."

"Wenn die Neutronensterne verschlungen werden", fügte er hinzu, "drehen sie sich auf und stoßen kalte Neutronenmaterie aus, die sich dekomprimiert, erhitzt und diese Elemente bildet."

Dieser Prozess der Herstellung der schwersten Elemente des Periodensystems würde auch Erklärungen für eine Reihe anderer ungelöster Rätsel im Universum und in unserer eigenen Milchstraße liefern.

"Da diese Ereignisse selten vorkommen, kann man verstehen, warum nur eine von zehn Zwerggalaxien mit schweren Elementen angereichert ist", sagt Fuller. "Die systematische Zerstörung von Neutronensternen durch primordiale Schwarze Löcher steht im Einklang mit dem Mangel an Neutronensternen im galaktischen Zentrum und in Zwerggalaxien, wo die Dichte der Schwarzen Löcher sehr hoch sein sollte."

Darüber hinaus berechneten die Wissenschaftler, dass der Ausstoß von Kernmaterie aus den winzigen Schwarzen Löchern, die Neutronensterne verschlingen, drei weitere ungeklärte Phänomene hervorrufen würde, die von Astronomen beobachtet wurden.

"Sie sind eine unverwechselbare Anzeige von Infrarotlicht (manchmal als "Kilonova" bezeichnet), einer Radioemission, die die mysteriösen Fast Radio Bursts aus unbekannten Quellen tief im Kosmos und die durch Röntgenbeobachtungen im galaktischen Zentrum entdeckten Positronen erklären könnte “, sagte Voller. "Jedes davon stellt ein seit langem bestehendes Mysterium dar. Es ist in der Tat überraschend, dass die Lösungen dieser scheinbar nicht zusammenhängenden Phänomene mit dem gewaltsamen Ende von Neutronensternen durch winzige Schwarze Löcher in Verbindung stehen."


Supernova-Überraschung schafft elementares Mysterium

Forscher der Michigan State University (MSU) haben entdeckt, dass eine der wichtigsten Reaktionen im Universum in explodierenden Sternen, den sogenannten Supernovae, einen enormen und unerwarteten Schub bekommen kann.

Dieser Befund stellt auch die Ideen in Frage, wie einige der schweren Elemente der Erde hergestellt werden. Insbesondere stellt es eine Theorie auf den Kopf, die die ungewöhnlich hohen Mengen einiger Formen oder Isotope der Elemente Ruthenium und Molybdän auf dem Planeten erklärt.

"Es ist überraschend", sagte Luke Roberts, Assistenzprofessor an der Facility for Rare Isotope Beams, FRIB, und der Abteilung für Physik und Astronomie an der MSU. Roberts implementierte den Computercode, mit dem das Team die Umgebung innerhalb einer Supernova modellierte. "Wir haben sicherlich viel Zeit damit verbracht, sicherzustellen, dass die Ergebnisse korrekt sind."

Die Ergebnisse, online veröffentlicht am 2. Dezember in der Zeitschrift Natur, zeigen, dass die innersten Regionen von Supernovae mehr als zehnmal schneller Kohlenstoffatome schmieden können als bisher angenommen. Diese Kohlenstofferzeugung geschieht durch eine Reaktion, die als Triple-Alpha-Prozess bekannt ist.

"Die Triple-Alpha-Reaktion ist in vielerlei Hinsicht die wichtigste Reaktion. Sie definiert unsere Existenz", sagte Hendrik Schatz, einer von Roberts' Mitarbeitern. Schatz ist Universitätsprofessor am Department of Physics and Astronomy und an der Facility for Rare Isotope Beams und Direktor des Joint Institute for Nuclear Astrophysics -- Center for the Evolution of the Elements, kurz JINA-CEE.

Fast alle Atome, aus denen die Erde und alles darauf besteht, einschließlich der Menschen, wurden in den Sternen geschmiedet. Fans des verstorbenen Autors und Wissenschaftlers Carl Sagan erinnern sich vielleicht an sein berühmtes Zitat "Wir sind alle aus Star-Zeug". Vielleicht ist kein Sternenmaterial für das Leben auf der Erde wichtiger als der Kohlenstoff, der im Kosmos durch den Triple-Alpha-Prozess hergestellt wird.

Der Prozess beginnt mit Alphateilchen, den Kernen von Heliumatomen oder Kernen. Jedes Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen.

Beim Triple-Alpha-Prozess verschmelzen Sterne drei Alphateilchen zu einem neuen Teilchen mit sechs Protonen und sechs Neutronen. Dies ist die häufigste Form von Kohlenstoff im Universum. Es gibt andere Isotope, die durch andere Kernprozesse hergestellt werden, aber diese machen etwas mehr als 1% der Kohlenstoffatome der Erde aus.

Dennoch ist die Verschmelzung von drei Alphateilchen normalerweise ein ineffizienter Prozess, sagte Roberts, es sei denn, es hilft etwas. Das spartanische Team zeigte, dass die innersten Regionen von Supernovae solche Helfer haben können: überschüssige Protonen. So kann eine an Protonen reiche Supernova die Triple-Alpha-Reaktion beschleunigen.

Aber die Beschleunigung der Triple-Alpha-Reaktion bremst auch die Fähigkeit der Supernova, schwerere Elemente im Periodensystem zu erzeugen, sagte Roberts. Dies ist wichtig, da Wissenschaftler seit langem glauben, dass protonenreiche Supernovae die überraschende Fülle bestimmter Ruthenium- und Molybdän-Isotope auf der Erde geschaffen haben, die näher an 100 Protonen und Neutronen enthalten.

"Man stellt diese Isotope nicht an anderen Orten her", sagte Roberts.

Aber basierend auf der neuen Studie werden Sie sie wahrscheinlich auch nicht in protonenreichen Supernovae herstellen.

„Faszinierend finde ich, dass man sich ihre Existenz jetzt anders erklären muss. Sie sollten nicht in dieser Fülle hier sein“, sagte Schatz über die Isotope. "Es ist nicht einfach, Alternativen zu finden."

"In gewisser Weise ist es eine Schande", sagte der Urheber des Projekts, Sam Austin, ein emeritierter MSU-Professor und ehemaliger Direktor des National Superconductor Cyclotron Laboratory, dem Vorgänger des FRIB. "Wir dachten, wir wüssten es, aber wir wissen es nicht gut genug."

Es gebe noch andere Ideen, fügten die Forscher hinzu, aber keine, die Nuklearwissenschaftler völlig befriedigend finden. Außerdem enthält noch keine bestehende Theorie diese neue Entdeckung.

"Was auch immer als nächstes auftaucht, man muss die Auswirkungen einer beschleunigten Triple-Alpha-Reaktion berücksichtigen. Es ist ein interessantes Rätsel", sagte Schatz.

Obwohl das Team keine unmittelbaren Lösungen für dieses Rätsel hat, sagten die Forscher, dass dies Auswirkungen auf bevorstehende Experimente am FRIB an der MSU haben wird, die kürzlich als Benutzereinrichtung des US-Energieministeriums (DOE-SC) bezeichnet wurde.

Darüber hinaus bietet die MSU einen fruchtbaren Boden für das Keimen neuer Theorien. Es ist die Heimat des landesweit ranghöchsten Graduiertenprogramms zur Ausbildung der nächsten Generation von Kernphysikern. Es ist auch eine zentrale Institution von JINA, die Kooperationen in der Kernphysik und Astrophysik wie diese fördert, zu der auch Shilun Jin gehörte. Jin arbeitete an dem Projekt als MSU-Postdoc und ist seitdem Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Obwohl Austin ein wenig enttäuscht darüber war, dass dieses Ergebnis langjährigen Vorstellungen von der Elementerzeugung widerspricht, weiß er auch, dass es neue Wissenschaften und ein besseres Verständnis des Universums fördern wird.

"Fortschritt kommt, wenn es einen Widerspruch gibt", sagte er.

"Wir lieben den Fortschritt", sagte Schatz. "Selbst wenn es unsere Lieblingstheorie zerstört."


Massives Schwarzes Loch bricht Rekord

Mit zwei NASA-Satelliten haben Astronomen das schwerste bekannte Schwarze Loch entdeckt, das einen Stern umkreist. Das neue Schwarze Loch mit einer 24- bis 33-fachen Masse unserer Sonne ist massereicher, als Wissenschaftler für ein Schwarzes Loch erwartet hatten, das aus einem sterbenden Stern entstand.

Das neu entdeckte Objekt gehört zur Kategorie der Schwarzen Löcher mit "stellarer Masse". Sie wurden im Todeskampf massereicher Sterne gebildet und sind kleiner als die Monster-Schwarzen Löcher, die in galaktischen Kernen zu finden sind. Der bisherige Rekordhalter für das größte Schwarze Loch mit stellarer Masse ist ein Schwarzes Loch mit 16 Sonnenmassen in der Galaxie M33, das am 17. Oktober bekannt gegeben wurde.

"Wir hatten erwartet, ein so massives Schwarzes Loch mit stellarer Masse zu finden", sagt Andrea Prestwich vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, Hauptautorin des Entdeckungspapiers in den Astrophysical Journal Letters vom 1. November. "Es ist wahrscheinlich, dass Schwarze Löcher, die aus sterbenden Sternen entstehen, viel größer sein können, als wir dachten."

Das Schwarze Loch befindet sich in der nahegelegenen Zwerggalaxie IC 10, 1,8 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Kassiopeia. Das Team von Prestwich konnte die Masse des Schwarzen Lochs messen, weil es einen umkreisenden Begleiter hat: einen heißen, hoch entwickelten Stern. Der Stern stößt Gas in Form eines Windes aus. Ein Teil dieses Materials dreht sich spiralförmig zum Schwarzen Loch, erwärmt sich und gibt starke Röntgenstrahlen ab, bevor es den Punkt ohne Wiederkehr überquert.

Im November 2006 beobachteten Prestwich und ihre Kollegen die Zwerggalaxie mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA. Die Gruppe entdeckte, dass die hellste Röntgenquelle der Galaxie, IC 10 X-1, starke Änderungen der Röntgenhelligkeit aufweist. Ein solches Verhalten deutet darauf hin, dass ein Stern regelmäßig vor einem begleitenden Schwarzen Loch vorbeizieht und die Röntgenstrahlen blockiert, wodurch eine Sonnenfinsternis entsteht. Ende November bestätigte der Swift-Satellit der NASA die Finsternisse und enthüllte Details über die Umlaufbahn des Sterns. Der Stern in IC 10 X-1 scheint in einer Ebene zu kreisen, die fast am Rand der Sichtlinie der Erde liegt. Die Beobachtungen von The Swift sowie Beobachtungen des Gemini-Teleskops auf Hawaii sagten Prestwich und ihrer Gruppe, wie schnell die beiden Sterne gehen umeinander herum. Berechnungen zeigten, dass das begleitende Schwarze Loch eine Masse von mindestens 24 Sonnen hat.

Es gibt immer noch einige Unsicherheiten bei der Massenschätzung des Schwarzen Lochs, aber wie Prestwich feststellt: "Zukünftige optische Beobachtungen werden eine letzte Überprüfung bieten. Jede Verfeinerung der IC 10 X-1-Messung wird die Masse des Schwarzen Lochs wahrscheinlich eher erhöhen als reduzieren. "

Die große Masse des Schwarzen Lochs ist überraschend, da massereiche Sterne starke Winde erzeugen, die einen großen Teil der Masse des Sterns wegblasen, bevor er explodiert. Berechnungen deuten darauf hin, dass massereiche Sterne in unserer Galaxie Schwarze Löcher hinterlassen, die nicht schwerer sind als etwa 15 bis 20 Sonnen.

Das Schwarze Loch IC 10 X-1 hat seit seiner Geburt durch das Aufsaugen von Gas von seinem Begleitstern an Masse gewonnen, aber die Geschwindigkeit ist so langsam, dass das Schwarze Loch nicht mehr als 1 oder 2 Sonnenmassen gewonnen hätte. "Dieses Schwarze Loch wurde fett geboren, es ist fett geworden", sagt der Astrophysiker Richard Mushotzky vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der nicht zum Entdeckungsteam gehört.

Der Vorläuferstern begann sein Leben wahrscheinlich mit 60 oder mehr Sonnenmassen. Wie seine Wirtsgalaxie hatte es wahrscheinlich einen Mangel an Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren. In massereichen, leuchtenden Sternen mit einem hohen Anteil an schweren Elementen „spüren“ die zusätzlichen Elektronen von Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff den nach außen gerichteten Lichtdruck und sind daher anfälliger dafür, von Sternwinden weggefegt zu werden. Aber mit seinem geringen Anteil an schweren Elementen verlor der IC 10 X-1-Vorläufer vergleichsweise wenig Masse, bevor er explodierte, sodass er ein schwereres Schwarzes Loch hinterlassen konnte.

„Massive Sterne in unserer heutigen Galaxie produzieren wahrscheinlich keine so schweren Schwarzen Löcher mit stellarer Masse wie dieses“, sagt Co-Autor Roy Kilgard von der Wesleyan University in Middletown, Conn. „Aber es könnten Millionen schwerer schwarzer Löcher mit stellarer Masse lauern dort, die früh in der Geschichte der Milchstraße produziert wurden, bevor sie die Chance hatte, schwere Elemente aufzubauen."


Wie Cygnus X-1 Theorien der stellaren Evolution in Frage stellt

Zu diesem Ergebnis kam das Team bei der Durchführung eines ehrgeizigen Projekts, bei dem Cygnus X-1 mit dem Netzwerk von Radioteleskopen, das VLBA- und Röntgenteleskope umfasst, fast kontinuierlich über eine volle 5,6-Tage-Umlaufbahn beobachtet wurde. Das Ziel der Forschung war es, besser zu verstehen, wie Gas, das von einem binären Partner über eine spiralförmige Akkretionsscheibe in ein Schwarzes Loch eingespeist wird, sich mit starken Materialstrahlen verbindet, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus der Nähe der Zentralregion austreten.

“Wir hatten ursprünglich nicht das Ziel, die Entfernung und die Masse des Schwarzen Lochs zu verfeinern, aber erkannten, dass unsere Daten uns dies ermöglichen würden, indem wir die Auswirkungen der Umlaufbahn des Schwarzen Lochs richtig berücksichtigen. Aber es gibt immer noch eine Fülle von Daten aus dieser umfangreichen Beobachtungskampagne, die wir noch genauer analysieren möchten.”

Professor James Miller-Jones, ICRAR, Curtin University

„Schwarze Löcher entstehen durch den Tod der massereichsten Sterne, wenn ihnen der Treibstoff ausgeht und die Schwerkraft übernimmt“, sagt Miller-Jones. „Die Masse des resultierenden Schwarzen Lochs wird durch die Anfangsmasse des Sterns, aus dem es gebildet wurde – den wir den Vorläuferstern nennen – die Menge an Masse bestimmt, die dieser Stern im Laufe seiner Lebenszeit durch Winde verloren hat, und jegliche Wechselwirkungen mit einem nahegelegenen Begleitstern .“

Miller-Jones fährt fort und sagt, dass massereiche Sterne sehr starke Winde von ihrer Oberfläche ausstoßen, was zu einem erheblichen Massenverlust während ihrer Lebensdauer von wenigen Millionen Jahren führt. Einige der späteren Phasen der Sternentwicklung weisen besonders starke Winde auf – bestimmt durch die Häufigkeit von Elementen, die schwerer als Helium in dem Gas sind, aus dem der Stern gebildet wurde. Schwerere Elemente bedeuten stärkere Winde und letztendlich einen weniger massereichen Stern unmittelbar vor dem Gravitationskollaps.

Während einige Sterne auch bei Supernova-Explosionen weiter an Masse verlieren können, wenn sie zu einem Schwarzen Loch kollabieren, deuten die Beweise darauf hin, dass es in Cygnus X-1 keine Explosion gab und der Stern direkt in ein Schwarzes Loch kollabierte“, sagt Miller-Jones . „Je stärker die Sternwinde während der späten Entwicklungsphasen des Sterns sind, desto weniger massiv hätten wir das Schwarze Loch erwartet.“

Künstlerische Darstellung des Cygnus X-1-Systems. Dieses System enthält das massereichste Schwarze Loch mit stellarer Masse, das jemals ohne den Einsatz von Gravitationswellen entdeckt wurde und wiegt die 21-fache Masse der Sonne. (IKRAR)

Zunächst war sich das Team nicht ganz bewusst, wie bedeutsam ihre Entdeckung der Massendisparitäten im Cygnus X-1-Binärsystem war. „Ich denke, unsere größte Überraschung war, als wir die volle Bedeutung unserer Messungen erkannten“, sagt Miller-Jones. „Als beobachtende Astronomen hatten mein Team und ich bereits herausgefunden, dass wir die Quellenentfernung und die Masse des Schwarzen Lochs revidieren können. Aber erst als ich einen Kollegen besuchte, Professor Ilya Mandel von der Monash University, der ein theoretischer Astronom ist, wurde uns klar, wie wichtig das tatsächlich war.“

Mandel–Co-Autor des resultierenden Papiers– erkannte, dass ein Schwarzes Loch mit 21 Sonnenmassen zu massiv war, um sich in der Milchstraße zu bilden, mit den Einschränkungen aufgrund der derzeit vorherrschenden Schätzungen des Masseverlusts massereicher Sterne in Sternwinde.

„Die Existenz eines so massereichen Schwarzen Lochs in unserer eigenen Milchstraße hat uns gezeigt, dass die massereichsten Sterne im Wind weniger Masse von ihrer Oberfläche wegblasen, als wir zuvor geschätzt hatten. Dies verbessert unser Wissen darüber, wie Schwarze Löcher aus den massereichsten Sternen entstehen.“

Professor James Miller-Jones, ICRAR, Curtin University

Wissenschaftler haben gerade das bisher kleinste Schwarze Loch gefunden

Es gibt massive Schwarze Löcher und es gibt supermassive Schwarze Löcher. Es gibt sogar ultramassive Schwarze Löcher.

Und doch denken wir so selten über die Kleinen nach. Es ist nicht so, dass ein Schwarzes Loch, das nicht etwa 40 Milliarden Mal so massereich ist wie unsere Sonne – wie das ultramassive Holm15A* – keine eigenen seltsamen und faszinierenden Eigenschaften hat.

Aber erst vor kurzem haben Wissenschaftler damit begonnen, in viel kleinerem Maßstab nach Schwarzen Löchern zu suchen. Und Überraschung, Überraschung, es dauerte nicht lange, einen zu finden.

Tatsächlich ist das neueste Schwarze Loch, das von Forschern der Ohio State University entdeckt wurde, möglicherweise das kleinste, das bisher entdeckt wurde.

Obwohl ein Schwarzes Loch theoretisch mikroskopisch klein sein könnte, ist das von diesem Team entdeckte Schwarze Loch alles andere als ein Taschenformat.

Bei der Veröffentlichung der Ergebnisse diese Woche in der Zeitschrift Science stellen Forscher fest, dass das Schwarze Loch etwa 3,3-mal so massiv ist wie unsere eigene Sonne – und ein Binärsystem am Rande unserer Milchstraße bewohnt, etwa 10.000 Lichtjahre entfernt.

„In der Astronomie ist es immer interessant, wenn man auf eine neue Art und Weise schaut und eine neue Art von Dingen findet“, sagt Hauptautor Todd Thompson, ein Astronomie-Professor an der Ohio State, gegenüber Vice. "Es lässt Sie denken, dass alle Ihre bisherigen Ansichten voreingenommen waren."

Tatsächlich könnten frühere Methoden zur Jagd auf Schwarze Löcher stark auf die schwereren Konkurrenten ausgerichtet gewesen sein. Bisher konnten wir im Durchschnitt zwischen fünf und 15 Sonnenmassen nachweisen. Aber das ist nicht unbedingt die durchschnittliche Größe für ein Schwarzes Loch – nur die Größe, die wir gefunden haben. Das ist aus dem einfachen Grund, dass wenn es um diese Materie saugenden Körper geht, größere leichter zu finden sind.

Supermassive Schwarze Löcher, wie das im Herzen unserer Galaxie, sorgen für störende Nachbarn – sie saugen mit fröhlicher Hingabe die gesamte umgebende Materie, einschließlich der umherirrenden Sterne, auf. Für irdische Astronomen ist es nicht schwer, die kulinarischen Verwüstungen eines Schwarzen Lochs zu erkennen – oder besser gesagt die Krümel, die in Form einer strahlenden Akkretionsscheibe um seinen Mund herum zurückbleiben.

Kleine Schwarze Löcher hingegen sind bei weitem nicht so offensichtlich, knabbern leise in ihrer Ecke des Kosmos und produzieren viel weniger Röntgenstrahlung, auf die Wissenschaftler sich einstellen können. Als Ergebnis, wenn bekannte Schwarze Löcher gezählt werden, sind die Schwergewichte überproportional vertreten.

Aber kleinere Risse können uns möglicherweise viel mehr über unser Universum lehren.

„Die Menschen versuchen, Supernova-Explosionen zu verstehen, wie supermassereiche schwarze Sterne explodieren, wie die Elemente in supermassereichen Sternen entstanden sind“, erklärt Thompson in einer Pressemitteilung. „Wenn wir also eine neue Population von Schwarzen Löchern aufdecken könnten, würde uns das mehr darüber sagen, welche Sterne explodieren, welche nicht, welche Schwarze Löcher bilden, welche Neutronensterne. Es eröffnet ein neues Forschungsgebiet.“

Die neue Entdeckung füllt eine seit langem bestehende Lücke auf der Skala zeit- und raumverbiegender Anomalien. An einem Ende befanden sich massive (und noch massereichere) Schwarze Löcher. Am anderen Ende befanden sich Neutronensterne – die Kerne von Riesensternen, die auf sich selbst kollabierten. Neutronensterne wachsen schließlich zu Schwarzen Löchern, aber ihre Existenz beginnt typischerweise bei etwa 2,5 Sonnenmassen.

Aber das Spektrum war in der Mitte merklich leer. Wo waren all die kleinen schwarzen Löcher?

Um sie zu finden, verließen sich Thompson und sein Team auf Daten des Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE). Diese Installation mit Sitz in New Mexico zeichnet Licht von mehr als 100.000 Sternen in unserer Galaxie auf.

Die Forscher verwendeten APOGEE-Daten, um zu bestimmen, ob Lichtverschiebungen von einem Stern in einem Doppelsternsystem auf die Anwesenheit eines ansonsten unsichtbaren Begleiters hindeuten – ein entschieden dunkler Begleiter.

Unter dieser Kontrolle wurde das kleinste bekannte Schwarze Loch bekannt, und der Reichtum an Wissen, den es enthält, wird Wissenschaftler wahrscheinlich dazu bringen, ein noch breiteres Netz für mehr seiner Schwarzen-Loch-Brüder auszuwerfen.

„Wir haben hier einen neuen Weg gefunden, nach Schwarzen Löchern zu suchen, aber wir haben möglicherweise auch eines der ersten einer neuen Klasse von massearmen Schwarzen Löchern identifiziert, von denen Astronomen bisher nichts wussten. " Thompson erklärt. "Die Masse der Dinge erzählen uns von ihrer Entstehung und Entwicklung und sie erzählen uns von ihrer Natur."


Wissenschaftler glauben jetzt zu wissen, wie das Universum die meisten Schwermetalle schmiedet

Wir sind aus Star-Zeug gemacht. Mit Ausnahme von Wasserstoff und etwas Helium wurden alle Elemente, die wir kennen und aus denen wir bestehen, vor Milliarden von Jahren in den heißen Kernen von Riesensternen geschmiedet. Dazu gehören Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Eisen. Jetzt lernen Wissenschaftler, wie die meisten Schwermetalle des Universums, wie Silber, Gold, Platin und Uran, erzeugt werden. Ohne Metalle kann Leben (wie wir es kennen) nicht existieren.

Im August 2017 wurden erstmals zwei Neutronensterne direkt beobachtet, die miteinander kollidierten und zu einem Schwarzen Loch kollabierten. Das Ereignis ereignete sich 130 Millionen Lichtjahre entfernt. Astronomen der Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (LIGO) in den USA und des Virgo Interferometers in Italien entdeckten Gravitationswellen, Kräuselungen im Gewebe der Raumzeit, die durch die Geburt eines Schwarzen Lochs verursacht werden und von einem Paar verschmelzender Neutronensterne emittiert werden.

Die resultierende Explosion wird als Kilonova bezeichnet, das elektromagnetische Gegenstück zu Gravitationswellen. Albert Einstein hat die Existenz von Gravitationswellen vor fast einem Jahrhundert vorhergesagt, und ihre jüngste Entdeckung bestätigt, dass der leere Raum unglaublicherweise nicht leer ist. Stattdessen wird es als das Gefüge der Raumzeit bezeichnet und enthält alles im Universum.

Die größte astronomische Entdeckung des Jahres 2017

Für Astronomen ist diese Entdeckung ein enorm Deal, weil es andeutet, woher die meisten Schwermetalle in unserem Universum, wie Silber, Uran, Platin und Gold, stammen. An dem Projekt waren also 4.500 Astrophysiker aus der ganzen Welt beteiligt, die meisten davon. Außerdem wurden erstmals Gravitationswellen bei einem solchen Ereignis nachgewiesen. Es ist auch das erste Mal, dass eine Verschmelzung von Neutronensternen direkt beobachtet wurde, obwohl Computermodelle vorhersagen, dass eine Kilonova auftreten sollte, wenn Neutronensterne kollidieren. Leichtere Metalle wie Eisen, Barium, Blei und Wolfram entstehen, wenn Riesensterne zur Supernova werden und ihre Eingeweide in ihrem letzten Todeskampf in den Weltraum sprengen.

Zentrum für relativistische Astrophysik der Georgia Tech

Wenn Neutronensterne verschmelzen und zu einem Schwarzen Loch kollabieren, erzeugen sie eine starke elektromagnetische Strahlung, die als Gammastrahlenausbruch bezeichnet wird. GRBs sind die extremsten Explosionen im Universum. Da sie als fokussierte Energiestrahlen auftreten, müssen GRBs der Erde zugewandt sein, um gesehen zu werden. GRBs sind so energisch, dass eine in unserer stellaren Nachbarschaft vorkommende könnte leicht sterilisieren die Oberfläche unseres Planeten. Tatsächlich glauben einige Wissenschaftler, dass ein GRB für das Große Sterben verantwortlich sein könnte, ein Massenaussterbeereignis, das vor 250 Millionen Jahren 95 Prozent des gesamten Lebens auf der Erde auslöschte.

Was sind Neutronensterne?

Neutronensterne sind wohl die wildesten Objekte im Universum. Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne mit Kernen von 1-3 Sonnenmassen zur Supernova werden. Die Kerne der Sterne kollabieren unter ihrer eigenen Schwerkraft, sobald der Stern beginnt, Eisen zu schmelzen. Neutronensterne sind nur 10-12 Meilen groß, haben aber die Masse von ungefähr 1,4 Sonnen. This makes them almost unimaginably dense just a teaspoon full of neutron star material would weigh billions of tons. For scale, this would be like shrinking all of Earth’s mass into a volume the size of a golf ball.

Neutron stars are so dense that their protons and electrons are forced together by gravity, forming a hot sphere of neutrons. It’s understandably difficult to form a visual of this. Their gravity is so strong that NASA compares their impact to “a marshmallow impacting the star's surface [hitting] with the force of a thousand hydrogen bombs.”

Amazingly, some neutron stars have planets orbiting them. In 2011, astronomers discovered a planet five times larger than Earth orbiting a neutron star. Originally a white dwarf, which is the dead core of a sun-like star, it lost most of its mass to its companion neutron star (though its diameter is about 3,000 times the diameter of its host star). The leftover material solidified into crystallized carbon, better known as diamond. The planet orbits its star in only two hours, and the distance between the planet and neutron star would fit inside the Sun. The Universe rarely makes just one of anything, so it’s therefore reasonable to suspect that our galaxy, the Milky Way, is littered with dead stars and planets that are made of diamonds.

There are two type of neutron stars: magnetars and pulsars. Magnetars have the strongest magnetic fields in the Universe. These magnetic fields are a trillion times stronger than Earth’s, and hundreds of times more powerful than typical neutron stars. Magnetars also emit powerful X-rays and gamma rays. Most neutron stars, however, are pulsars . Pulsars emit powerful jets of charged particles from their magnetic poles, a result of their fast rotation. This generates rotating beams of light, which can be seen from Earth, assuming they are pointing in our direction. Because the supernovae that created them are so powerful, pulsars rotate very rapidly. The most rapidly rotating radio pulsar so far discovered whips around at 716 times per second . Pulsars are, in a sense, cosmic lighthouses.

How do neutron stars create gold and other heavy metals?

As neutron stars approach each other, their rotational speed increases. Protons and neutrons are flung out into space in hot clouds of plasma, or superheated gas. “It’s like taking two jelly donuts and slamming them together,” said Dan Kasen, a member of the team of thousands that made the discovery. The intense heat and outward pressure of the expanding gas forces the nuclei of atoms together into metals like iron, silver, gold and uranium. As they drift through interstellar space, these heavier elements mix with other elements, eventually becoming part of rocky planets like Earth. The LIGO discovery found the amount of gold equivalent to ten Earths .

Iron and heavier elements are also created when giant stars explode as supernovae. The fusion of iron is what kills stars fusing iron requires more energy than a star can produce in its core, and once a star begins fusing iron, a supernova occurs within a few seconds. This miniscule drop in outward pressure allows gravity to take over, and gravity always wins. The core collapses into a neutron star (or black hole in even more massive stars), and the outer layers are blown out into space. As this occurs, heavy elements like nickel, lead and cobalt are forged from the enormous pressure and high temperatures generated in the explosion. Stars big enough to create iron and other metals only live for a few million years, as they burn through their fuel faster than smaller stars like the Sun.

Does the Sun forge heavy elements too?

Nope. Stars like the Sun don’t have enough mass to forge heavy elements. Still, the Sun fuses a whopping 660 million tons of hydrogen into helium every second . In about one or two billion years, the Sun will begin to run out of hydrogen. As it starts to fuse helium into elements like carbon and oxygen, its outer layers will expand from the more intense pressure coming from the core, becoming a red giant .

At this point, Earth will be destroyed. The outer layers will form a planetary nebula (and they are gorgeous) , gradually dissipating into space. The Sun will then become a white dwarf star a super-dense Earth-sized ball of cooling stellar ash, made mostly of carbon. Eventually, white dwarf stars cool to the point of being black dwarfs. Black dwarfs have never been observed and are entirely theoretical, however, because the Universe isn’t old enough for any to have formed… yet.

Stars are the best example of how good the Universe is at recycling material. Stars like our Sun are, in fact, the children and grandchildren of massive stars that went supernova in the distant past, blasting into space the materials needed to form suns, planets and, of course, life. We are the Universe, and the Universe is us.


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Step Three: Stellar Black Holes

Scientists now know that neutron stars like the one in the Crab Nebula are not the last word, so to speak, in the awesome story of stellar collapse. That distinction belongs to the black hole. Light is just barely able to escape the deep gravity well of a neutron star, so in a sense it almost qualifies for black hole status. In fact, says John Gribbin, "A neutron star sits on the very threshold of being a black hole." 21 One major factor that sets black holes apart from neutron stars, however, is that Nein light can escape from a black hole light and everything else that gets too close to a black hole becomes trapped inside its gravity well forever.

A stellar black hole forms from the collapse of a star having more than eight times the mass of the Sun. So powerful is the force of the inrushing matter that it bypasses both the white dwarf and neutron star stages and compresses that matter into an even denser state. In fact, the matter keeps on falling down the star's gravity well in a sort of neverending death spiral. This is because the gravity well of a black hole is like a bottomless pit, from which nothing can escape.

Not surprisingly, this densest of superdense objects jams an extremely large amount of material into a very small volume of space. A stellar black hole is surprisingly small, therefore. One formed during the death of a star having eight solar masses would probably be only about the size of a small house. It is important to remember that most of the former star's original matter is still inside the black hole. (Some of its matter was ejected into space during the supernova accompanying the star's collapse.) That means that the object's gravitational pull will be roughly the same as that of the original star. Any planets orbiting the star before its collapse would continue orbiting the black hole, which would not capture and consume them unless they strayed too close to it.

The survival of a planet and the survival of living things that might inhabit it are two different things, however. A majority of life forms that happen to exist on planets orbiting a star that becomes a black hole will die from powerful radiation released during the catastrophic collapse and supernova. And any life that has the misfortune to survive this disaster will quickly freeze to death after the star stops radiating light and heat. Clearly, the formation of a stellar black hole is one of the most awesome and potentially lethal events that can occur in nature.


Universe’s Earliest Supernovae Ejected Powerful Jets, Astronomers Say

A team of astronomers from MIT has observed evidence that the Universe’s first stars exploded as asymmetric supernovae, strong enough to scatter heavy elements across the early Universe. The findings appear in the Astrophysikalisches Journal.

An artist’s impression of a supernova. Image credit: NASA / CXC / M.Weiss.

Several hundred million years after the Big Bang, the very first stars flared into the Universe as massively bright accumulations of hydrogen and helium gas. Within the cores of these stars, thermonuclear reactions forged the first heavy elements, including carbon, iron, and zinc.

These first stars were likely immense, short-lived fireballs, and astrophysicists have assumed that they exploded as similarly spherical supernovae.

But now astronomers at MIT and elsewhere have found that these stars may have blown apart in a more powerful, asymmetric fashion, spewing forth jets that were violent enough to eject heavy elements into neighboring galaxies. These elements ultimately served as seeds for the second generation of stars, some of which can still be observed today.

“When a star explodes, some proportion of that star gets sucked into a black hole like a vacuum cleaner,” said MIT’s Dr. Anna Frebel.

“Only when you have some kind of mechanism, like a jet that can yank out material, can you observe that material later in a next-generation star.”

In 2005, Dr. Frebel and colleagues found that a star called HE 1327-2326 is an ancient, surviving star that is among the Universe’s second generation of stars.

At the time, the star was the most metal-poor star ever observed, meaning that it had extremely low concentrations of elements heavier than hydrogen and helium — an indication that it formed as part of the second generation of stars, at a time when most of the Universe’s heavy element content had yet to be forged.

“The first stars were so massive that they had to explode almost immediately,” Dr. Frebel said.

“The smaller stars that formed as the second generation are still available today, and they preserve the early material left behind by these first stars. Our star has just a sprinkle of elements heavier than hydrogen and helium, so we know it must have formed as part of the second generation of stars.”

An artist’s rendering of how the first stars in the Universe may have looked. Image credit: N.R. Fuller, National Science Foundation.

In 2016, the team used the Cosmic Origins Spectrograph onboard the NASA/ESA Hubble Space Telescope to observe the star.

The astronomers made a list of heavy elements that they suspected might be within such an ancient star, that they planned to look for in the Hubble data, including silicon, iron, phosphorus, and zinc.

“We found that, no matter how we measured it, we got really strong abundance of zinc,” said MIT’s Dr. Rana Ezzeddine.

The researchers then ran over 10,000 simulations of supernovae and the secondary stars that form in their aftermath.

They found that while most of the spherical supernova simulations were able to produce a secondary star with the elemental compositions they observed in HE 1327-2326, none of them reproduced the zinc signal.

As it turns out, the only simulation that could explain the star’s makeup, including its high abundance of zinc, was one of an aspherical, jet-ejecting supernova of a first star.

Such a supernova would have been extremely explosive, with a power equivalent to about a nonillion times that of a hydrogen bomb.

“We found this first supernova was much more energetic than people have thought before, about 5-10 times more,” Dr. Ezzeddine said.

“In fact, the previous idea of the existence of a dimmer supernova to explain the second-generation stars may soon need to be retired.”

The results may shift scientists’ understanding of reionization, a pivotal period during which the gas in the Universe morphed from being completely neutral, to ionized — a state that made it possible for galaxies to take shape.

“People thought from early observations that the first stars were not so bright or energetic, and so when they exploded, they wouldn’t participate much in reionizing the Universe,” Dr. Frebel said.

“We’re in some sense rectifying this picture and showing, maybe the first stars had enough oomph when they exploded, and maybe now they are strong contenders for contributing to reionization, and for wreaking havoc in their own little dwarf galaxies.”

These first supernovae could have also been powerful enough to shoot heavy elements into neighboring ‘virgin galaxies’ that had yet to form any stars of their own.

Rana Ezzeddine et al. 2019. Evidence for an Aspherical Population III Supernova Explosion Inferred from the Hyper-metal-poor Star HE 1327-2326. ApJ 876, 97 doi: 10.3847/1538-4357/ab14e7