Nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte, sehen wir bereits supermassive Schwarze Löcher mit dem Gewicht von 1 Milliarde Sonnen. Wie konnten sie so schnell wachsen? Ein Team von Astronomen verwendet Computersimulationen, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie die Entstehung dieser dunklen Giganten ausgesehen haben könnte.
Wie man ein supermassives Schwarzes Loch macht
Wenn Sie ein Schwarzes Loch mit einer Milliarden Sonnenmasse von Grund auf neu erschaffen wollen, um einen Ausdruck zu gebrauchen, müssen Sie mit einem Stern beginnen – oder vielleicht nur mit dem Gas, aus dem Sterne bestehen.
Während die ersten Sterne des Universums die ersten Schwarzen Löcher gemacht haben könnten, wären diese im supermassereichen Maßstab relativ klein gewesen, mit Massen von nur etwa 100 Sonnen. Vielleicht sammelten sich die ersten Sterne, und als Sterne schwarze Löcher bildeten, verschmolzen diese schwarzen Löcher und verschmolzen dann wieder. Selbst dann wären solche „Samen“ von Schwarzen Löchern nur 1.000, vielleicht 10.000 Sonnenmassen gewesen. Diese Schwarzen Löcher hätten superschnell wachsen müssen, um in so kurzer Zeit supermassiv zu werden.
Aber es gibt noch einen anderen Weg: Einige Astronomen haben die Idee vertreten, dass im kleinen frühen Universum, als das Gas dicht und unberührt war, Gaswolken direkt zu massereicheren Schwarzen Löchern kollabieren könnten.
Die Berechnungen für solche massiven Implosionen sind jedoch heikel. Was verhindert, dass Teile der Gaswolke unter ihrem eigenen Gewicht abkühlen und zusammenbrechen, wie es sternbildende Wolken im modernen Universum tun?
Einige Astronomen haben vermutet, dass die ultraviolette Emission nahegelegener neugeborener Sterne das Gas erwärmt haben könnte und es zu warm für eine Fragmentierung gehalten hat. Andere haben argumentiert, dass solche spezifischen Anforderungen den Prozess zu selten machen würden, um die Anzahl der supermassiven Schwarzen Löcher zu erklären, die wir bereits im jungen Universum gefunden haben.
Zusammenhalten
Jetzt berichten Muhammad Latif (United Arab Emirates University), Daniel Whalen (Portsmouth University, UK, und University of Vienna) und Kollegen in Nature, dass sich auch ohne diese besonderen Bedingungen massive Schwarze Löcher bilden können.
Der Fund stützt sich auf Computersimulationen, die die Bedingungen des jungen Universums rekonstruieren, als es etwa 100 Millionen Jahre alt war. Simulationen sind notwendig, weil diese Ära der ersten Sterne für unsere heutigen Teleskope unerreichbar ist.
Die Simulation verfolgte das Wachstum eines kleinen, schäumenden Materiemeeres, das von vier Strömen einströmenden Gases gespeist wurde. Während solche Knoten im Materialnetz, das das Universum füllt, üblich gewesen wären, sagt Whalen, dass diese Ströme ungewöhnlich waren, weil sie so viel Gas transportierten. Latif fügt hinzu, dass die Gasflüsse nicht nur dicht, sondern auch schnell flossen; Sie rasten mit Geschwindigkeiten von 50 km/s (mehr als 100.000 mph) heran und transportierten Material im Wert von 1 bis 10 Sonnen pro Jahr.
Das Meer im Zentrum dieser Materialströme wuchs, und innerhalb des Meeres nahm ein Klumpen Gestalt an, und dann noch eins. Die Turbulenzen einströmender Gasströme verhinderten, dass die massiven Klumpen sofort zu Sternen kollabierten; stattdessen wuchsen die Klumpen weiter. Am Ende der Simulation enthielten sie die Masse von Zehntausenden von Sonnen.
Schließlich komprimieren sich diese Klumpen zu dem, was die Forscher supermassereiche Sterne nennen; Die Verfolgung ihrer Entwicklung erfordert eine andere Art von Computersimulation, die die Sternenphysik berücksichtigt. Die stellaren Monstrositäten überleben in dieser Simulation nicht lange, nur 2 Millionen Jahre, bevor sie wieder zu schwarzen Löchern von 30.000 bzw. 40.000 Sonnenmassen zusammenbrechen.
Solche massiven Samen könnten leicht mehr Gas sammeln und zu den dunklen Giganten heranwachsen, die von Astronomen gesehen werden. Obwohl die in dieser Studie untersuchte Art von Zusammenfluss selten ist, schätzen Latif, Whalen und Kollegen, dass er oft genug auftritt, um die Beobachtungen zu erklären.
„Die neue Umgebung voller kalter Strömungen, die in dieser Studie numerisch untersucht wird, ist sehr aufregend“, sagt Priya Natarajan (Yale), „da sie einen natürlichen Weg für die Bildung massiver Schwarzer-Loch-Keime zu bieten scheint.“
Aber es ist nicht das einzige Szenario, das zu einem direkten Zusammenbruch führt, warnt sie. Natarajan, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, untersuchte bereits 2014 ein anderes Szenario und stellte fest, dass ein dichter Sternhaufen in ähnlicher Weise einen direkten Kollaps ermöglichen könnte. „Das Ergebnis ist, dass es mehrere Wege gibt, um sich schnell zu verstärken und massive Samen von Schwarzen Löchern in situ und früh im Universum zu erzeugen.“
Die bevorstehenden Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops, fügt sie hinzu, werden dabei helfen, zwischen den verschiedenen Saatszenarien für Schwarze Löcher zu unterscheiden. Webb wird die supermassiven Sterne nicht entdecken können, obwohl sie millionenfach leuchtender sind als die Sonne, aber es ist möglich, dass es die Samen der Schwarzen Löcher entdecken könnte, die immer noch wachsen, wenn das Universum weniger als 200 Millionen Jahre alt ist .
