Wie man aus dünner Luft ein Schwarzes Loch erschafft

Wie viele Möglichkeiten gibt es, dieses Universum zu verlassen?

Der vielleicht berühmteste Regisseur bringt den Tod eines Stars mit sich. Im Jahr 1939 sagten der Physiker Robert Oppenheimer und sein Student Harlan Snyder von der University of California in Berkeley voraus, dass ein ausreichend massereicher Stern, wenn ihm der thermonukleare Treibstoff ausgeht, nach innen kollabiert und für immer weiter kollabiert, wodurch Raum, Zeit und Raum schrumpfen. Licht verwandelt sich in das, was man heute ein Schwarzes Loch nennt.

Es stellt sich jedoch heraus, dass möglicherweise kein toter Stern erforderlich ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Stattdessen könnten zumindest im frühen Universum riesige Wolken aus Urgas direkt in Schwarze Löcher kollabiert sein und damit ihre Millionen von Jahren als Star umgangen haben.

Zu diesem vorläufigen Schluss kam kürzlich eine Gruppe von Astronomen, die UHZ-1 untersuchten, einen Lichtfleck aus der Zeit kurz nach dem Urknall. Tatsächlich ist (oder war) UHZ-1 ein mächtiger Quasar, der vor 13,2 Milliarden Jahren, als das Universum noch nicht einmal 500 Millionen Jahre alt war, Feuer und Röntgenstrahlen aus einem supermassiven Schwarzen Loch schoss.

Aus kosmologischer Sicht liegt dies ungewöhnlich nahe, da durch Sternkollaps und Sternverschmelzungen ein supermassereiches Schwarzes Loch entstehen könnte. Priyamvada Natarajan, Astronomin an der Yale University und Hauptautorin von Artikel veröffentlicht in der Zeitschrift Astrophysical LettersSie und ihre Kollegen bestätigen, dass sie in UHZ-1 einen neuen Himmelstyp entdeckt haben, den sie eine supermassereiche Schwarze-Loch-Galaxie oder OBG nennen. Im Kern ist die OBG eine junge Galaxie, die von einem Schwarzen Loch verankert wird, das sehr schnell sehr groß geworden ist. .

Die Entdeckung dieses frühen Quasars könnte Astronomen helfen, ein damit zusammenhängendes Rätsel zu lösen, das ihnen seit Jahrzehnten Rätsel aufgibt. Fast jede sichtbare Galaxie im modernen Universum scheint in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch zu enthalten, das Millionen und Milliarden Mal so groß ist wie die Masse der Sonne. Woher kamen diese Monster? Ist es möglich, dass gewöhnliche Schwarze Löcher so schnell wachsen?

Dr. Natarajan und ihre Kollegen vermuten, dass UHZ-1 und möglicherweise viele supermassive Schwarze Löcher ursprünglich als Urwolken entstanden sind. Diese Wolken könnten zu Körnern zusammengebrochen sein, die vorzeitig schwer genug waren, um das Wachstum massereicher Schwarzer-Loch-Galaxien auszulösen. Es ist eine weitere Erinnerung daran, dass das Universum, das wir sehen, von einer unsichtbaren Geometrie der Dunkelheit beherrscht wird.

„Als erster OBG-Kandidat liefert UHZ-1 überzeugende Beweise für die Bildung schwerer Proto-Samen durch direkten Kollaps im frühen Universum“, schrieben Dr. Natarajan und ihre Kollegen. „Es scheint, dass die Natur BH-Samen auf viele Arten hervorbringt“, fügte sie in einer E-Mail hinzu, „über den Tod von Sternen hinaus!“

„Bria hat ein sehr interessantes Schwarzes Loch gefunden, wenn es wahr ist“, sagte Daniel Holz, ein Theoretiker an der University of Chicago, der Schwarze Löcher untersucht.

Er fügte hinzu: „Es ist einfach zu groß und zu früh. Es ist, als würde man in ein Kindergartenklassenzimmer blicken, und unter all den Fünfjährigen gibt es eines, das 150 Pfund wiegt und/oder 1,80 Meter groß ist.

Laut der Geschichte, die sich Astronomen immer wieder über die Entwicklung des Universums erzählen, kondensierten die ersten Sterne aus Wasserstoff- und Heliumwolken, die beim Urknall übrig geblieben waren. Sie brannten heiß und schnell, explodierten und kollabierten schnell und bildeten Schwarze Löcher mit der 10- bis 100-fachen Sonnenmasse.

Im Laufe der Äonen haben sich aus der Asche früherer Sterne aufeinanderfolgende Sterngenerationen gebildet, die die Chemie des Universums bereichern. Die von ihrem Tod übrig gebliebenen Schwarzen Löcher verschmolzen weiter und wuchsen auf irgendeine Weise und bildeten supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien.

Das James Webb-Weltraumteleskop, das vor zwei Jahren zu Weihnachten gestartet wurde, sollte diese Idee testen. Es verfügt über den größten Spiegel im Weltraum mit einem Durchmesser von 21 Fuß. Vor allem wurde es entwickelt, um die Infrarotwellenlängen aufzuzeichnen, die das Licht der am weitesten entfernten und damit ältesten Sterne im Universum aussendet.

Aber sobald das neue Teleskop auf den Himmel gerichtet war, konnte es neue Galaxien sehen, die so massereich und hell waren, dass sie den Erwartungen der Kosmologen widersprachen. In den letzten zwei Jahren gab es heftige Auseinandersetzungen darüber, ob diese Beobachtungen tatsächlich ein langjähriges Modell des Universums gefährden. Das Modell beschreibt das Universum als bestehend aus einer Spur sichtbarer Materie, erstaunlichen Mengen „dunkler Materie“, die für die Schwerkraft sorgt, um Galaxien zusammenzuhalten, und „dunkler Energie“, die diese Galaxien auseinandertreibt.

Die Entdeckung von UHZ-1 stellt einen Wendepunkt in diesen Diskussionen dar. Um sich auf zukünftige Beobachtungen eines massiven Galaxienhaufens im Sternbild Bildhauer mit dem James Webb-Weltraumteleskop vorzubereiten, beantragte Dr. Natarajans Team Zeit am Chandra-Röntgenobservatorium der NASA. Die Masse des Clusters fungiert als Gravitationslinse und vergrößert Objekte dahinter in Raum und Zeit. Die Forscher hofften, einen Röntgenblick auf das zu bekommen, was die Linse sehen könnte.

Sie fanden einen Quasar, der von einem supermassiven Schwarzen Loch mit etwa 40 Millionen Sonnenmassen angetrieben wurde. Weitere Beobachtungen des Webb-Teleskops bestätigten, dass es 13,2 Milliarden Lichtjahre entfernt war. (Der Sculptor Cluster liegt etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt.) Es war der am weitesten entfernte und älteste Quasar, der jemals im Universum entdeckt wurde.

„Wir brauchten Webb, um diese bemerkenswert weit entfernte Galaxie zu finden, und Chandra, um ihr supermassereiches Schwarzes Loch zu finden“, sagte Akos Bogdan vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in einer Pressemitteilung. „Wir nutzten außerdem eine kosmische Lupe, die die Lichtmenge, die wir entdeckten, verstärkte.“

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass supermassereiche Schwarze Löcher 470 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Das ist nicht genug Zeit, um den Schwarzen Löchern der ersten Generation von Sternen – mit einer Masse von 10 bis 100 Sonnenmassen – zu erlauben, so groß zu werden.

Gab es einen anderen Weg zur Entstehung größerer Schwarzer Löcher? Im Jahr 2017 schlug Dr. Natarajan vor, dass der Zusammenbruch ursprünglicher Gaswolken zur Entstehung von Schwarzen Löchern führen könnte, die 10.000-mal massereicher als die Sonne sind.

„Man kann sich dann vorstellen, dass einer von ihnen später zu diesem kleinen, frühen großen Schwarzen Loch heranwächst“, sagte Dr. Holz. Infolgedessen bemerkte er: „Zu jedem weiteren Zeitpunkt in der Geschichte des Universums wird es immer einige überraschend große Schwarze Löcher geben.“

„Die Tatsache, dass diese Objekte zunächst ein hypermassereiches Leben hatten, bedeutet, dass sie sich wahrscheinlich schließlich zu supermassereichen Schwarzen Löchern entwickeln“, sagte Dr. Natarajan. Aber niemand weiß, wie das funktioniert. Schwarze Löcher machen 10 % der Masse des frühen Quasars UHZ-1 aus, während sie weniger als ein Tausendstel der Masse moderner Galaxien wie der Riesengalaxie Messier 87 ausmachen, deren Schwarzes Loch eine Masse von 6,5 Massen hat. Eine Milliarde Sonnenmassen, als sein Bild 2019 vom Event Horizon Telescope aufgenommen wurde.

Dies deutet darauf hin, dass die Auswirkungen komplexer Umweltrückkopplungen das Wachstum und die Entwicklung dieser Galaxien und ihrer Schwarzen Löcher dominieren und dazu führen, dass sie mehr Masse in Sternen und Gas ansammeln.

„Tatsächlich übermitteln und beleuchten diese sehr frühen OBGs mehr Informationen über die Physik des Samens als über das anschließende Wachstum und die Entwicklung“, sagte Dr. Natarajan. „Obwohl es wichtige Auswirkungen hat“, fügte sie hinzu.

„Es wäre sicherlich großartig, wenn sich herausstellen würde, dass das passiert, aber ich weiß es nicht wirklich“, sagte Dr. Holz. „Es wird eine faszinierende Geschichte sein, unabhängig davon, wie das Rätsel der frühen großen Schwarzen Löcher gelöst wird“, fügte er hinzu.