Die Geburt supermassiver Schwarzer Löcher aus Dunkler Materie – und ihr Wachstum

Das Universum ist ca. 13,8 Milliarden Jahre alt. Am Anfang gab es darin noch keine Sterne. Aber 600 bis 800 Millionen Jahre später existierten bereits mächtige Galaxien mit riesigen Schwarzen Löchern in ihrem Zentrum, die millionen- bis milliardenfach schwerer sind als unsere Sonne. Aber wo kommen diese Giganten her? Lange nahm man an, dass sie beim Kollaps von Gaswolken in Protogalaxien entstanden sein könnten. Aber das Ergebnis ist unbefriedigend. Auf diese Weise wachsen die Schwarzen Löcher einfach nicht schnell genug.

Ein Team unter der Leitung eines theoretischen Physikers der University of California, Riverside, hat nun eine andere Erklärung gefunden: Es stellt sich ein massives Schwarzes Loch als Keimzelle vor, das durch den Kollaps eines Halos aus dunkler Materie entstehen könnte. Solche Halos umgeben so gut wie jede Galaxie oder Galaxienhaufen umgibt. Obwohl dunkle Materie nie im Labor nachgewiesen werden konnte, sind Physiker nach wie vor davon überzeugt, dass diese mysteriöse Materie, die 85 Prozent der Materie des Universums ausmacht, existiert. Wäre die sichtbare Materie einer Galaxie nicht in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet, würde diese Materie auseinanderfliegen.

Die Teilchen der dunklen Materie ballen sich zunächst unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammen und bilden einen Halo aus dunkler Materie. Während der Entwicklung des Halos wirken zwei konkurrierende Kräfte – Schwerkraft und Druck – aufeinander. Während die Schwerkraft die Teilchen der dunklen Materie nach innen zieht, drückt der Druck sie nach außen. Wenn die Teilchen der dunklen Materie keine Selbstwechselwirkungen haben, dann werden sie heißer, wenn die Schwerkraft sie in Richtung des Zentrums, d.h. sie bewegen sich schneller, der Druck nimmt dadurch effektiv zu und sie prallen zurück. Im Fall von mit sich selbst wechselwirkender dunkler Materie können die Selbstwechselwirkungen jedoch die Wärme von diesen „heißeren“ Teilchen zu nahe gelegenen kälteren Teilchen transportieren. Das macht es für die Teilchen der dunklen Materie schwierig zurückzuprallen. Während des Kollapsprozesses schrumpft der zentrale Halo, der eine feste Masse hat, im Radius und verlangsamt seine Rotation aufgrund der Viskosität. Im weiteren Verlauf der Entwicklung kollabiert der zentrale Halo schließlich in einen singulären Zustand: ein Schwarzes Loch. Dieser Keim kann schwerer werden, indem er umliegende baryonische (sichtbare) Materie wie Gas und Sterne akkretiert.

Ein galaktischer Wind kann für diese Art von physikalischer Wechselwirkung zwischen Schwarzen Löchern und Galaxien sorgen. Ein supermassives Schwarzes Loch verschluckt eine große Menge an Materie. Wenn diese Materie aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs beginnt, sich mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen, gibt sie intensive Energie ab, die die umgebende Materie nach außen drücken kann. Auf diese Weise entsteht der galaktische Wind.

„Die Frage ist, wann die galaktischen Winde im Universum entstanden sind“, sagt Takuma Izumi, der Hauptautor einer weiteren Forschungsarbeit und Forscher am National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). „Dies ist eine wichtige Frage, weil sie mit einem wichtigen Problem in der Astronomie zusammenhängt: wie haben sich Galaxien und supermassive schwarze Löcher gemeinsam entwickelt?“ Das Forschungsteam nutzte zunächst das Subaru-Teleskop des NAOJ, um nach supermassiven Schwarzen Löchern zu suchen. Dank dessen Weitwinkelbeobachtung fanden sie mehr als 100 Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern im Universum vor mehr als 13 Milliarden Jahren. Anschließend nutzte das Forscherteam die hohe Empfindlichkeit von ALMA, um die Gasbewegung in den Wirtsgalaxien der Schwarzen Löcher zu untersuchen. ALMA beobachtete die vom Subaru-Teleskop entdeckte Galaxie HSC J124353.93+010038.5 (im Folgenden J1243+0100) und fing Radiowellen ein, die vom Staub und den Kohlenstoff-Ionen in der Galaxie ausgesendet wurden.

Eine detaillierte Analyse der ALMA-Daten ergab, dass es in J1243+0100 einen Hochgeschwindigkeits-Gasstrom gibt, der sich mit 500 km pro Sekunde bewegt. Dieser Gasstrom hat genug Energie, um das stellare Material in der Galaxie wegzudrücken und die Sternentstehungsaktivität zu stoppen. Der Gasfluss, der in dieser Studie gefunden wurde, ist wirklich ein galaktischer Wind, und es ist das älteste beobachtete Beispiel einer Galaxie mit einem riesigen Wind von galaktischer Größe. Der bisherige Rekordhalter war eine Galaxie vor etwa 13 Milliarden Jahren; diese Beobachtung schiebt den Beginn also um weitere 100 Millionen Jahre zurück.

Das Team maß auch die Bewegung des ruhigen Gases in J1243+0100 und schätzte die Masse des Bulge auf etwa das 30-Milliardenfache der Sonne. Die Masse des supermassiven schwarzen Lochs der Galaxie, die mit einer anderen Methode geschätzt wurde, betrug etwa 1% davon. Das Massenverhältnis des Bulge zum supermassiven Schwarzen Loch in dieser Galaxie ist damit fast identisch mit dem Massenverhältnis von Schwarzen Löchern zu Galaxien im modernen Universum. Dies impliziert, dass die Koevolution von supermassiven Schwarzen Löchern und Galaxien schon seit weniger als einer Milliarde Jahren nach der Geburt des Universums stattfindet.

ALMA-Aufnahme der fernen Galaxie J1243+0100, die in ihrem Zentrum ein supermassives Schwarzes Loch beherbergt. Die Verteilung des ruhigen Gases in der Galaxie ist gelb und die Verteilung des schnellen galaktischen Windes ist blau dargestellt. Der Wind befindet sich im Zentrum der Galaxie, was darauf hindeutet, dass der Wind durch das supermassive Schwarze Loch angetrieben wird (Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.)
Künstlerische Darstellung eines galaktischen Windes, der von einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie angetrieben wird. Die intensive Energie, die von dem Schwarzen Loch ausgeht, erzeugt einen galaxienweiten Gasfluss, der die interstellare Materie wegbläst, die das Material für die Bildung von Sternen ist. (Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

 

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.