Wie konnten supermassereiche Schwarze Löcher kurz nach dem Urknall so schnell so groß werden?

„Es ist, als würde man eine Familie die Straße entlanggehen sehen, mit zwei 1,80 Meter großen Teenagern, aber auch mit einem 1,80 Meter großen Kleinkind.“

Wissenschaftler verstehen jetzt, dass supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen der meisten, wenn nicht aller Galaxien lauern. Diese kosmischen Titanen haben Massen, die millionen- und sogar milliardenfach so groß sind wie die der Sonne, doch ihre enorme Größe stellt kein Problem dar, wenn supermassive Schwarze Löcher im lokalen Universum zu sehen sind und daher in der kosmischen Geschichte jüngeren Datums sind.

Supermassive Schwarze Löcher werden jedoch zu einem Problem, wenn sie im frühen Universum beobachtet werden, und sie haben bereits Massen, die denen von Milliarden Sonnen entsprechen. Das liegt daran, dass es einen Mechanismus geben muss, der es supermassereichen Schwarzen Löchern ermöglicht, schnell an Masse zu gewinnen und so gigantische Größen zu erreichen. Alle existierenden Mechanismen für dieses Wachstum deuten jedoch darauf hin, dass dieser Prozess zu langsam abläuft, als dass Objekte wie dieses unmittelbar nach dem Urknall existieren könnten.

„In den letzten zwei Jahrzehnten haben Astronomen vor fast 13 Milliarden Jahren, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, supermassereiche Schwarze Löcher mit den gleichen Massen wie im lokalen und damit jüngeren Universum – Milliarden Sonnenmassen – gefunden“, so Royal John Reagan, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Society University an der Maynooth University, sagte gegenüber Space.com.

Regan beschreibt das Problem mit einer etwas beunruhigenden Analogie. „Es ist, als würde man eine Familie die Straße entlanggehen sehen, und sie haben zwei 1,80 Meter große Teenager, aber auch ein 1,80 Meter großes Kleinkind bei sich. Das ist ein kleines Problem, wie ist das Kleinkind so groß geworden? Und das ist es.“ Das Gleiche gilt für supermassereiche Schwarze Löcher im Universum. Wie konnten sie so schnell so massiv werden?“

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Dieses Problem wurde in diesem Jahr noch komplizierter, als das James Webb Space Telescope (JWST) das am weitesten entfernte und früheste supermassereiche Schwarze Loch entdeckte. Dieses Schwarze Loch befindet sich im Herzen der Galaxie CEERS 1019 und hat eine Masse von 9 Millionen Sonnenmassen, was es für ein supermassereiches Schwarzes Loch relativ klein macht.

Doch selbst bei dieser Größe stellt die Existenz dieses Schwarzen Lochs nur 570 Millionen Jahre nach dem Urknall eine Herausforderung für Theorien über das Wachstum Schwarzer Löcher dar. Und dieses Schwarze Loch mit 9 Millionen Sonnenmassen war nicht allein. Dieselbe Beobachtungskampagne, die dieses supermassive Schwarze Loch entdeckte, die Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, entdeckte auch zwei weitere supermassereiche Schwarze Löcher, die sowohl 1 Milliarde Jahre als auch 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten.

„Mit jeder neuen Entdeckung werden die Einschränkungen für unsere bestehenden Ideen stärker“, sagte Shantanu Basu, Professor an der Canadian University of Western Ontario, gegenüber Space.com. „Wir waren beunruhigt, als 800 Millionen Jahre nach dem Urknall supermassereiche Schwarze Löcher gesehen wurden. CEERS vergrößert die Herausforderung nur enorm.“

Dies deutet darauf hin, dass supermassive Schwarze Löcher in den relativen Anfängen des Universums häufig vorkommen und keine kosmische Seltenheit darstellen, was die Suche nach einem Mechanismus zur Erklärung, wie sie dorthin gelangt sind, stärker in Anspruch nimmt.

Abgesehen von ursprünglichen Schwarzen Löchern, von denen angenommen wird, dass sie nach dem Urknall übrig bleiben, gibt es drei Hauptkategorien von Schwarzen Löchern: Schwarze Löcher mit Sternmasse, deren Masse zwischen dem 5- und 100-fachen der Sonne liegt, und Schwarze Löcher mittlerer Masse mit Massen zwischen dem 100- und 10.000-fachen der Sonne die der Sonne und supermassereiche Schwarze Löcher mit den oben genannten Massen.

Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn den massereichsten Sternen mit 30 bis 130 Sonnenmassen der Treibstoff für die Kernfusion ausgeht und sie sich nicht mehr gegen ihre eigene Schwerkraft stützen können. Wenn die äußeren Schichten dieser Sterne bei riesigen Supernova-Explosionen weggeblasen werden, kollabieren die Kerne und es entstehen Schwarze Löcher mit Sternmasse – Regionen des Weltraums mit einem Punkt unendlicher Dichte, der als Singularität bezeichnet wird, in der Mitte und einer äußeren Grenze, die als Ereignishorizont bezeichnet wird Die Schwerkraft ist so groß, dass nicht einmal Licht ihr entkommen kann.

Supermassive Schwarze Löcher müssen sich auf andere Weise bilden als Schwarze Löcher mit Sternmasse, da es für einen Stern unmöglich ist, groß genug zu sein, um die anfängliche Ausgangsmasse zu haben, um Masse abzugeben, während er sich durch Ereignisse wie die Supernova entwickelt, die den Gravitationskollaps des Sterns begleitet Stern, hinterlassen aber dennoch einen Kern, der massiv genug ist, um ein supermassereiches Schwarzes Loch zu werden.

Seit vielen Jahren glauben Astronomen, dass supermassive Schwarze Löcher ihr Leben als „Saatschwarze Löcher“ beginnen könnten, die viel kleiner sind. Sie wachsen, indem sie sich zunächst von Materie ernähren und dann mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen, wenn die Galaxien, in denen sie sich befinden, kollidieren. Dies versorgt diese entstehenden supermassereichen Schwarzen Löcher auch mit Gas und Staub, von denen sie sich ernähren können.

Das Wachstum von Samen von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse könnte stattfinden, wenn diese kosmischen Samen von riesigen Mengen an Materie umgeben sind und sich gierig an dieser Materie laben, um schnell zu supermassiven Schwarzen Löchern heranzuwachsen.

Dieser Prozess sollte jedoch durch das sogenannte Eddington-Limit gebremst werden. Die Leuchtkraft oder Helligkeit eines sich ernährenden Schwarzen Lochs ist proportional zur Geschwindigkeit, mit der es Masse ansammelt. Je schneller ein Schwarzes Loch Materie verbraucht, desto schneller wächst es, und je schneller es wächst, desto mehr elektromagnetische Strahlung wird von seiner Umgebung abgestrahlt. Wenn jedoch die elektromagnetische Strahlung, die in Form von Jets um ein Schwarzes Loch herum emittiert wird, stark genug ist, stößt sie Materie physikalisch weg. Das heißt, je schneller ein Schwarzes Loch „frisst“, desto wahrscheinlicher ist es, dass seine Nahrungsversorgung unterbrochen und verdrängt wird, wodurch das Wachstum gestoppt wird.

Die Edington-Grenze bedeutet, dass es Milliarden von Jahren dauern sollte, bis Schwarze Löcher genug Materie ansammeln, um den Status eines supermassereichen Schwarzen Lochs zu erreichen. Regan ist Teil eines Forscherteams, das etwas namens „Super-Eddington-Akkretion“ untersucht hat, das für das schnelle Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum verantwortlich sein könnte. Dies wäre, erklärte er, nichts Besonderes, sondern lediglich eine schnellere Version der normalen Nahrungsaufnahme von Schwarzen Löchern

Dies würde zu schnellen „Episoden“ der Zufuhr führen, bei denen das Material von den Düsen weggedrückt wird, die Zufuhr stoppt und somit die Düsen abschaltet. Dadurch kann das Material dann in das Schwarze Loch zurückfallen, was einen weiteren Anfall hektischen Festessens auslöst. Regan und Kollegen fanden diese Erklärung jedoch unbefriedigend.

„Wenn man diesen Fütterungszyklus über die Zeit mittelt, liegt er tatsächlich unter der Eddington-Rate“, sagte Regan. „Für ein oder zwei Zyklen mag es in Ordnung sein, aber im Großen und Ganzen ist es mit der Zeit nicht großartig, weil es einfach nicht geht und nicht kontinuierlich weitergeht. Wir haben also nicht festgestellt, dass dies kein großartiger Mechanismus ist, um Supermasse wirklich zu erklären.“ Wachstum von Schwarzen Löchern.

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Eine weitere Möglichkeit, die das schnelle Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher erklären könnte, ist laut Regan die Idee, dass das Saat-Schwarze Loch, aus dem sie wachsen, massiv ist.

„Wir haben leichte und schwere Samen, sodass supermassive Schwarze Löcher mit 100 Sonnenmassen entstehen und bis zu supermassereichen Schwarzen Löchern heranwachsen könnten, oder sie könnten anfangs 100.000 Mal massereicher als die Sonne sein und von dort aus wachsen“, sagte Regan. „Wenn sie wachsen wollen, muss ein kleines Schwarzes Loch außergewöhnliches Glück haben und sich in einer dichten Umgebung befinden, in der es jede Menge Gas gibt. Aber das ist sehr unwahrscheinlich.“

„Es ist viel, viel, viel wahrscheinlicher, dass sich ein kleines Schwarzes Loch in einer Umgebung ohne Gas befindet. Daher ist es sehr unwahrscheinlich, dass diese kleinen Samen des Schwarzen Lochs wachsen können.“

Massive Samen Schwarzer Löcher müssten immer noch in diese dichten Umgebungen gelangen, hätten aber zumindest einen Vorsprung gegenüber kleineren Samen. Um auf die Analogie zu einem 1,80 m großen Säugling zurückzukommen, erklärt Regan, dass das Wachstum dieses Kindes noch schwieriger zu erklären sei, wenn es mit der Länge eines durchschnittlichen Säuglings geboren wurde. Aber wenn dieses Baby geboren wurde und bereits einen Meter lang war, ist seine Verwandlung in ein 1,80 Meter großes Kleinkind nicht ganz so schwer zu erklären.

Das Problem bei der Untersuchung besteht darin, dass Schwarzen Löchern im Gegensatz zu Kleinkindern alle Eigenschaften fehlen, die über ihre Masse, ihren Drehimpuls (Spin) und ihre elektrische Ladung hinausgehen. Wissenschaftler nennen dies das „No-Hair-Theorem“ und es bedeutet, dass Schwarze Löcher täuschend einfach sind und keine Informationen über ihre Geschichte oder Entwicklung enthalten.

„Wenn Sie in Ihrem Garten ein Schwarzes Loch finden, können Sie es nicht erkennen, indem Sie es betrachten, Sie wissen nicht, ob es gestern, vor einer Minute oder vor einer Milliarde Jahren dort angekommen ist. Es hat keine Geschichte, es gibt keinen Fingerabdruck, " er machte weiter. „Wenn wir uns also Schwarze Löcher heute oder vor 13 Milliarden Jahren ansehen, haben wir keine Ahnung, wie alt sie sind, also wissen wir nicht, wie lange sie wachsen konnten.“

Basu fügte hinzu, dass es nicht möglich sei, den Anreicherungsprozess zu beobachten, der Schwarze Löcher im frühen Universum anschwellen lässt, da er so weit von uns entfernt stattfindet, aber die Entdeckung der Anreicherung supermassereicher Schwarzer Löcher könnte in der Zukunft möglich sein. „Die hypothetischen supermassereichen Sterne im frühen Universum wären extrem leuchtend, vielleicht zehn Milliarden Mal so hell wie unsere Sonne. Es ist möglich, dass das James Webb Space Telescope (JWST) oder Euclid solche Objekte entdecken könnten, wenn sie erst nach wenigen Jahren vorhanden wären.“ Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. „Trotz dieser Probleme ist Regan zuversichtlich, dass Wissenschaftler durch die Untersuchung von Schwarzen Löchern im frühen Universum und durch die potenzielle Entdeckung schwerer Samen bald in der Lage sein werden, ein Bild vom Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher zu erstellen. Insbesondere verwies er auf die Einführung der Laser Interferometer Space Based Antenna (LISA), eines weltraumgestützten Gravitationswellendetektors, der Wissenschaftlern dabei helfen wird, die Demographie von Schwarzen Löchern im frühen Universum besser einzuschätzen.

„Ich denke, wir haben in den letzten 10 Jahren enorme Fortschritte gemacht. Riesig. Und wir werden auch im nächsten Jahrzehnt weiterhin enorme Fortschritte machen“, sagte Regan. „Die Extrapolation aus diesen demografischen Daten wird uns eine sehr, Wir haben einen sehr guten Überblick über die Anzahl der Verschmelzungen im fernen Universum, an denen Schwarze Löcher genau in dem von uns benötigten Massenbereich beteiligt sind, mit Massen, die etwa 100.000 Mal so groß sind wie die der Sonne.

„Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass wir dieses Problem in den nächsten 5 bis 10 Jahren gelöst haben werden.“

Mehr über die bahnbrechende CEERS-Durchmusterung des James Webb-Weltraumteleskops, die Schwarze Löcher im frühen Universum entdeckt, können Sie hier lesen: https://ceers.github.io/

JA Regan., TP Downes., M. Volonteri., et al., Super-Eddington Accretion and Feedback from the First Massive Seed Black Holes, [2018], [https://arxiv.org/abs/1811.04953]

Webb-Teleskop entdeckt das am weitesten entfernte aktive supermassereiche Schwarze Loch, UT News, [2023], [https://news.utexas.edu/2023/07/06/webb-telescope-detects-most-distant-active-supermassive-black- Loch/]

CH. Lin., KJ Chen., CY. Hwang., Schnelles Wachstum galaktischer supermassereicher Schwarzer Löcher durch die Ansammlung riesiger Molekülwolken während großer Verschmelzungen ihrer Wirtsgalaxien, [2023], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd841]

S. Batu., A. Das., The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario, [2019], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab2646]

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Robert Lea ist ein Wissenschaftsjournalist im Vereinigten Königreich, dessen Artikel in Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek und ZME Science veröffentlicht wurden. Er schreibt außerdem über Wissenschaftskommunikation für Elsevier und das European Journal of Physics. Rob hat einen Bachelor of Science in Physik und Astronomie von der britischen Open University. Folgen Sie ihm auf Twitter @sciencef1rst.

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