Astronomen haben einige extrem alte supermassereiche Schwarze Löcher gefunden, die sich gebildet haben, als das Universum noch recht jung war. Aber sie waren verwirrt darüber, wie ein Schwarzes Loch so groß werden konnte, als das Universum selbst noch ein Kleinkind war.
Astronomen haben nun festgestellt, dass eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall einzigartige Bedingungen herrschten, unter denen sich diese schwarzen Löcher des Monsters bilden konnten. Eine ungewöhnliche Quelle intensiver Strahlung erzeugte sogenannte „direkt kollabierende Schwarze Löcher“.
"Es ist ein kosmisches Wunder", sagte Volker Bromm von der University of Texas in Austin, der mit mehreren Astronomen an dem Ergebnis arbeitete. "Es ist das einzige Mal in der Geschichte des Universums, dass die Bedingungen genau richtig sind, damit sie sich bilden können."
Das konventionelle Verständnis der Entstehung von Schwarzen Löchern wird als Akkretionstheorie bezeichnet, bei der ein extrem massereicher Stern zusammenbricht und aus dem Zusammenbruch „Samen“ von Schwarzen Löchern entstehen, indem Gas aus ihrer Umgebung angesaugt wird und kleinere Schwarze Löcher zusammengeführt werden. Dieser Prozess dauert jedoch lange, viel länger als die Zeit, in der sich diese sich schnell bildenden Schwarzen Löcher befanden. Außerdem verfügte das frühe Universum nicht über die Mengen an Gas und Staub, die für supermassereiche Schwarze Löcher erforderlich waren, um ihre gigantische Größe zu erreichen.
Die neuen Erkenntnisse legen stattdessen nahe, dass sich einige der ersten Schwarzen Löcher direkt bildeten, als eine Gaswolke zusammenbrach und andere Zwischenphasen wie die Bildung und anschließende Zerstörung eines massiven Sterns umging.
Natürlich sind diese schwarzen Löcher wie jedes Schwarze Loch nicht zu sehen. Es gab jedoch starke Beweise für ihre Existenz, da sie benötigt werden, um die im jungen Universum entdeckten hochleuchtenden Quasare mit Strom zu versorgen. Die große Helligkeit eines Quasars kommt von Materie, die sich in ein supermassereiches Schwarzes Loch windet, sich auf Millionen von Grad erwärmt und Jets erzeugt, die wie Leuchtfeuer über das Universum leuchten. Da die Akkretionstheorie jedoch keine supermassiven Schwarzen Löcher in einem extrem entfernten - und daher jungen - Universum erklärt, konnten Astronomen die Quasare auch nicht erklären. Dies wurde als "Quasarsamenproblem" bezeichnet.
"Die im frühen Universum beobachteten Quasare ähneln riesigen Babys in einem Entbindungsraum voller normaler Säuglinge", sagte Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, der mit Bromm zusammenarbeitete. „Man wundert sich: Was ist das Besondere an der Umgebung, in der diese riesigen Babys gepflegt wurden? Typischerweise wird das Kaltgasspeicher in nahe gelegenen Galaxien wie der Milchstraße hauptsächlich durch Sternentstehung verbraucht. “
Im Jahr 2003 hatten Bromm und Loeb die theoretische Idee, eine frühe Galaxie zur Bildung eines supermassiven Schwarzen Lochs zu bringen, indem sie den ansonsten unerschwinglichen Energieeintrag aus der Sternentstehung unterdrückten. Sie nannten den Prozess "direkten Zusammenbruch".
"Beginnen Sie mit einer" Urwolke aus Wasserstoff und Helium, die in einem Meer ultravioletter Strahlung durchdrungen ist ", sagte Bromm. „Du knirschst diese Wolke im Gravitationsfeld eines Halos aus dunkler Materie. Normalerweise kann sich die Wolke abkühlen und fragmentieren, um Sterne zu bilden. Die ultravioletten Photonen halten das Gas jedoch heiß und unterdrücken so jegliche Sternentstehung. Dies sind die gewünschten, fast wundersamen Bedingungen: Zusammenbruch ohne Fragmentierung! Da das Gas immer kompakter wird, haben Sie schließlich die Voraussetzungen für ein massives Schwarzes Loch. “
Diese kosmischen Bedingungen scheinen nur im sehr frühen Universum existiert zu haben, und dieser Prozess findet heute in Galaxien nicht mehr statt.
Um ihre Theorie zu testen, begannen Bromm, Loeb und ihr Kollege Aaron Smith, eine Galaxie namens CR7 zu untersuchen, die durch eine Hubble-Weltraumteleskop-Umfrage namens COSMOS als weniger als 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall identifiziert wurde.
David Sobral von der Universität Lissabon hatte CR7 mit einigen der weltweit größten bodengestützten Teleskope, darunter Keck und das VLT, beobachtet. Diese deckten einige äußerst ungewöhnliche Merkmale in der Lichtsignatur von CR7 auf. Insbesondere war die Lyman-alpha-Wasserstoffleitung um ein Vielfaches heller als erwartet. Bemerkenswerterweise zeigte das Spektrum auch eine ungewöhnlich helle Heliumlinie.
"Was auch immer diese Quelle antreibt, ist sehr heiß - heiß genug, um Helium zu ionisieren", sagte Smith bei etwa 100.000 Grad Celsius.
Diese und andere ungewöhnliche Merkmale im Spektrum bedeuteten, dass es sich entweder um eine Ansammlung von Ursternen oder um ein supermassives Schwarzes Loch handeln konnte, das wahrscheinlich durch direkten Kollaps gebildet wurde.
Smith führte Simulationen für beide Szenarien durch, und während das Sternhaufen-Szenario „spektakulär gescheitert“ war, zeigte das Modell des direkten Lochs des Schwarzen Lochs eine gute Leistung.
Anfang dieses Jahres verwendeten Forscher kombinierte Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums, des Hubble-Weltraumteleskops und des Spitzer-Weltraumteleskops, um diese möglichen Samen des Schwarzen Lochs zu identifizieren. Sie fanden zwei Objekte, die beide dem theoretischen Profil in den Infrarotdaten entsprachen. (Lesen Sie ihre Zeitung hier.)
Es scheint, dass Astronomen "auf dieses Modell konvergieren", sagte Smith, um das Quasarsamenproblem und das frühe Rätsel um das Schwarze Loch zu lösen.
Bleib dran.
Die Arbeiten von Bromm, Loeb und Smith werden in der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht.
Quellen:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Pressemitteilung zur Entdeckung direkter kollabierender Schwarzer Löcher durch die NASA Anfang dieses Jahres.
