All-you-can-eat im jungen Universum: Neues Modell erklärt das Wachstum von Quasaren

Ein kleines Schwarzes Loch gewinnt an Masse: Dichtes Gas (grün) strömt in das Zentrum eines Sternhaufens (das rote Kreuz in dem blauen Kreis) mit mehreren Sternen (gelbe Punkte). Die unregelmäßige Bahn des Schwarzen Lochs durch das Gas (schwarze Linie) ist zufällig und wird von den umgebenden Sterne bestimmt. (Image courtesy of Weizmann Institute of Science)
Ein kleines Schwarzes Loch gewinnt an Masse: Dichtes Gas (grün) strömt in das Zentrum eines Sternhaufens (das rote Kreuz in dem blauen Kreis) mit mehreren Sternen (gelbe Punkte). Die unregelmäßige Bahn des Schwarzen Lochs durch das Gas (schwarze Linie) ist zufällig und wird von den umgebenden Sterne bestimmt. (Image courtesy of Weizmann Institute of Science)

Ein neues Modell zeigt, wie frühe Schwarze Löcher eine Masse von über einer Milliarde Sonnenmassen erreichen konnten. Im frühen Universum gibt es Schwarze Löcher mit mehreren Milliarden Sonnenmassen. Diese gigantischen Himmelskörper – Quasare – nähren sich von interstellarem Gas und verschlucken nonstop große Mengen davon. Dadurch offenbaren sie ihre Existenz: Das Licht, das von dem Gas emittiert wird, während selbiges von der Gravitation des Schwarzen Lochs eingefangen und dann verschluckt wird, reist Milliarden Jahre lang durch das Universum, bevor es unsere Teleskope erreicht.

Die Beobachtung der Grenzen des [sichtbaren] Universums ist daher ein Blick in die Vergangenheit. Diese weit entfernten, uralten Quasare erscheinen uns quasi wie auf ihren “Babyfotos”, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden: Monströse Kinder in einem jungen Universum.

Normalerweise entsteht ein Schwarzes Loch, wenn ein massereicher Stern mit zig Sonnenmassen explodiert, nachdem sein Brennstoff aufgebraucht ist. Ohne das nukleare Brennen in seinem Kern, das der Gravitation entgegenwirkt, kollabiert der Stern. Ein Großteil der Materie wird in einer großen Supernova-Explosion fortgeschleudert, während der Rest nach innen stürzt und ein Schwarzes Loch mit nur etwa zehn Sonnenmassen bildet. Seit diese frühen Quasare erstmals entdeckt wurden, haben sich die Wissenschaftler gefragt, welcher Prozess dazu führen konnte, dass ein kleines Schwarzes Loch so kurz nach dem Urknall so stark wächst und an Masse gewinnt.

In der Tat können mehrere Prozesse begrenzen, wie schnell ein Schwarzes Loch wachsen kann. Beispielsweise fällt das Gas im Normalfall nicht direkt in das Schwarze Loch, sondern wird auf eine langsame Spiralbahn gezwungen und nach und nach verschluckt. Wenn das Gas schließlich von dem Schwarzen Loch verschlungen wird, drückt das von ihm emittierte Licht gegen das Gas. Das Licht wirkt der Gravitation entgegen und verlangsamt den Zufluss, der das Schwarze Loch nährt.

Also wie gewannen diese frühen Quasare wirklich an Masse? Professor Tal Alexander, der Leiter des Particle Physics and Astrophysics Department am Weizmann Institute of Science, schlägt zusammen mit Professor Priyamvada Natarajan von der Yale University eine Lösung vor. Ihre Abhandlung erschien kürzlich im Journal Science.

Ihr Modell beginnt mit der Entstehung eines kleinen Schwarzen Lochs im sehr jungen Universum. Zu der Zeit, so vermuten Kosmologen, waren die Gasströme dicht und enthielten viel größere Mengen Materie als die dünnen Gasströme, die wir im heutigen Universum beobachten. Das hungrige, neu geborene Schwarze Loch wanderte herum und wechselte die Richtung immer dann, wenn es auf andere junge Sterne in seiner Nähe traf. Durch die raschen Zickzack-Bewegungen sammelte das Schwarze Loch stetig mehr und mehr Gas in seiner Bahn und zog das Gas auf direktem Weg so schnell an, dass es nicht in eine langsame Spiralbahn eintreten konnte.

Je größer das Schwarze Loch wurde, desto schneller fraß es. Seine Wachstumsrate, so erklärte Alexander, stieg schneller als exponentiell an. Nach ungefähr zehn Millionen Jahren – ein Augenblick in kosmischen Maßstäben – hätte das Schwarze Loch eine Masse von rund 10.000 Sonnenmassen erreicht. Von da an hätte sich die enorme Wachstumsrate auf eine etwas gemächlichere Wachstumsrate verringert, aber die Zukunft des Schwarzen Lochs war bereits vorherbestimmt. Es führte letztendlich dazu, dass das Schwarze Loch auf eine Masse von einer Milliarde Sonnenmassen oder mehr anwuchs.

Quelle: http://wis-wander.weizmann.ac.il/all-you-can-eat-at-the-end-of-the-universe

(THK)

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