Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation veröffentlicht. Die Veröffentlichung hat den Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen. Fan Zou ist Doktorand an der Penn State University, während W. Neil Brandt Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State ist.
Schwarze Löcher sind bemerkenswerte astronomische Objekte mit einer so starken Schwerkraft, dass ihnen nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Die gigantischsten, sogenannten „supermassereichen“ Schwarzen Löcher, können das Millionen- bis Milliardenfache der Sonnenmasse wiegen.
Diese Riesen leben normalerweise in den Zentren von Galaxien. Auch unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, enthält in ihrem Herzen ein supermassereiches Schwarzes Loch.
Wie werden diese supermassiven Schwarzen Löcher also supermassiv? Um diese Frage zu beantworten, blickte unser Team von Astrophysikern in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums zurück, um zu verfolgen, wie supermassereiche Schwarze Löcher von den Anfängen bis heute gewachsen sind.
Wir haben ein Modell der gesamten Wachstumsgeschichte supermassiver Schwarzer Löcher über die letzten 12 Milliarden Jahre erstellt.
Wie wachsen supermassereiche Schwarze Löcher?
Supermassive Schwarze Löcher wachsen hauptsächlich auf zwei Arten. Sie können in einem Prozess namens Akkretion Gas aus ihren Muttergalaxien verbrauchen und auch miteinander verschmelzen, wenn zwei Galaxien kollidieren.
Wenn supermassive Schwarze Löcher Gas verbrauchen, emittieren sie fast immer starke Röntgenstrahlung, eine Art hochenergetisches Licht, das für das bloße Auge unsichtbar ist. Sie haben wahrscheinlich schon von Röntgenaufnahmen beim Zahnarzt gehört, wo diese manchmal zur Untersuchung Ihrer Zähne eingesetzt werden. Die von Astronomen verwendeten Röntgenstrahlen haben im Allgemeinen niedrigere Energien als medizinische Röntgenstrahlen.
Wie kann also überhaupt Licht, sogar unsichtbare Röntgenstrahlen, aus Schwarzen Löchern entkommen? Streng genommen kommt das Licht nicht von den Schwarzen Löchern selbst, sondern vom Gas direkt außerhalb. Wenn Gas in Richtung eines Schwarzen Lochs gezogen wird, erwärmt es sich und erzeugt Licht, ähnlich wie Röntgenstrahlen. Je mehr Gas ein supermassereiches Schwarzes Loch verbraucht, desto mehr Röntgenstrahlung wird es erzeugen.
Dank der über mehr als 20 Jahre gesammelten Daten von drei der leistungsstärksten Röntgenanlagen, die jemals ins All gebracht wurden – Chandra, Universum.
Mithilfe dieser Daten kann unser Forschungsteam abschätzen, wie schnell supermassereiche Schwarze Löcher durch den Verbrauch von Gas wachsen. Im Durchschnitt kann ein supermassereiches Schwarzes Loch jedes Jahr so viel Gas verbrauchen, dass es etwa der Masse der Sonne entspricht, wobei der genaue Wert von verschiedenen Faktoren abhängt.
Die Daten zeigen beispielsweise, dass die über Millionen von Jahren gemittelte Wachstumsrate eines Schwarzen Lochs stark von der Masse aller Sterne in seiner Muttergalaxie abhängt.
Wie oft verschmelzen supermassereiche Schwarze Löcher?
Supermassive Schwarze Löcher ernähren sich nicht nur von Gas, sondern können auch wachsen, indem sie bei der Kollision von Galaxien miteinander zu einem einzigen, massereicheren Schwarzen Loch verschmelzen.
Kosmologische Supercomputersimulationen können vorhersagen, wie oft diese Ereignisse auftreten. Ziel dieser Simulationen ist es, zu modellieren, wie das Universum im Laufe der Zeit wächst und sich entwickelt. Die unzähligen Galaxien, die durch den Weltraum fliegen, sind wie Bausteine, die das Universum aufbauen.
Diese Simulationen zeigen, dass Galaxien und die supermassereichen Schwarzen Löcher, die sie beherbergen, im Laufe der kosmischen Geschichte mehrfach verschmelzen können.
Unser Team hat diese beiden Wachstumskanäle – Gasverbrauch und Fusionen – mithilfe von Röntgenstrahlen und Supercomputersimulationen verfolgt und sie dann kombiniert, um diese gesamte Wachstumsgeschichte zu erstellen, die das Wachstum von Schwarzen Löchern im gesamten Universum über Milliarden von Jahren abbildet.
Unsere Wachstumsgeschichte hat gezeigt, dass supermassereiche Schwarze Löcher vor Milliarden von Jahren, als das Universum noch jünger war, viel schneller wuchsen.
In den frühen Tagen enthielt das Universum mehr Gas, das supermassereiche Schwarze Löcher verbrauchen konnten, und es entstanden immer wieder supermassereiche Schwarze Löcher. Als das Universum alterte, wurde das Gas allmählich erschöpft und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher verlangsamte sich. Vor etwa 8 Milliarden Jahren stabilisierte sich die Zahl der supermassiven Schwarzen Löcher. Seitdem ist es nicht wesentlich gestiegen.
Wenn nicht genügend Gas für das Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher durch Akkretion vorhanden ist, besteht die einzige Möglichkeit, dass sie größer werden, in Fusionen. In unserer Wachstumsgeschichte haben wir davon nicht sehr viele Fälle gesehen. Im Durchschnitt können die massereichsten Schwarzen Löcher durch Verschmelzungen alle paar Jahrzehnte Masse bis zur Masse der Sonne ansammeln.
Ich freue mich auf
Diese Forschung hat uns geholfen zu verstehen, wie sich in den letzten 12 Milliarden Jahren über 90 % der Masse in Schwarzen Löchern angesammelt haben.
Allerdings müssen wir noch untersuchen, wie sie im sehr frühen Universum wuchsen, um die verbleibenden wenigen Prozentsätze der Masse in Schwarzen Löchern zu erklären. Die astronomische Gemeinschaft macht Fortschritte bei der Erforschung dieser frühen supermassereichen Schwarzen Löcher und wir hoffen, bald weitere Antworten zu finden.
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
