Links, in blau, ist ein Röntgenbild eines akkretierenden supermassiven schwarzen Lochs (als Kunstwerk eingefügt), das mit einem optischen Bild von Galaxien im tiefen Universum kombiniert ist. Rechts ist eine IllustrisTNG-Simulation von Galaxien zu sehen, die zeigt, wie sie sich im kosmischen Netz der Materie entwickeln (Bildnachweis: F. Zou/Penn State, et al.; Beobachtungen: Die XMM-SERVS-Kollaboration; Simulationen: The TNG Collaboration; Illustration: Nahks TrEhnl/Penn State/Penn State)
Die schwarzen Herzen der Galaxien haben ihre Geschichte zum ersten Mal fast vollständig erzählt. Astronomen haben Röntgenbeobachtungen mit detaillierten Supercomputermodellen kombiniert, um das Wachstum supermassereicher schwarzer Löcher über 12 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte aufzuzeichnen.
Dabei haben die Wissenschaftler gezeigt, dass das Schwarze Loch im Kern unserer Milchstraßengalaxie seine vier Millionen Sonnenmassen relativ spät in seiner Geschichte erreicht hat.
Supermassive Schwarze Löcher sind millionenfach massiver als unsere Sonne und milliardenfach massiver, aber ihr Ursprung ist unklar, und wie sie zu solch enormen Massen heranwuchsen, ist für die Astronomen eine Herausforderung, die es zu verstehen gilt.
Jetzt jedoch haben die Astronomen Fan Zou und W. Niel Brandt, beide von der Penn State University, ein Team geleitet, das die beiden Mechanismen des Wachstums Schwarzer Löcher anhand von Beobachtungen und Simulationen miteinander verbunden hat. Die Ergebnisse könnten endlich einige Antworten liefern.
„Eine sehr wichtige Frage ist, wie diese supermassiven Schwarzen Löcher so massiv werden“, sagte Zou bei der Präsentation ihrer Arbeit auf der 244. Tagung der American Astronomical Society in Wisconsin. „Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die gesamte Wachstumsgeschichte dieser supermassereichen Schwarzen Löcher verfolgen.“
Wie bereits erwähnt, wachsen Schwarze Löcher durch zwei Hauptmechanismen. Zum einen durch die Akkretion von kaltem Gas aus ihrer Wirtsgalaxie. Dieses Gas bildet eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch selbst, und die Materie aus der Scheibe bewegt sich allmählich spiralförmig auf den Kern des Schwarzen Lochs zu. Die Akkretionsscheibe kann so dicht werden, dass sie sich durch die Reibung zwischen den Gasmolekülen auf Millionen von Grad aufheizt und dabei Röntgenstrahlung abgibt. Der andere Mechanismus tritt bei Kollisionen von Galaxien auf. Dabei verschmelzen nicht nur die Galaxien, sondern auch ihre supermassereichen schwarzen Löcher und setzen einen Ausbruch von Gravitationswellen frei.
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Um herauszufinden, inwieweit die Akkretion von Gas zum Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher beiträgt, hat das Studienteam mehr als 20 Jahre Archivdaten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA, der XMM-Newton-Mission der Europäischen Weltraumorganisation und des Röntgeninstruments eROSITA an Bord der deutsch-russischen Raumsonde Spektr-RG ausgewertet. Die Forscher konnten Röntgensignale identifizieren, die von etwa 8.000 schnell wachsenden supermassiven schwarzen Löchern stammen.
„Wenn supermassereiche Schwarze Löcher das sie umgebende Gas akkretieren, emittieren sie starke Röntgenstrahlung, so dass wir ihre Akkretionskraft messen können, wenn wir sie im Röntgenbereich aufspüren“, sagt Zou.
Dann wandten sie sich der kosmologischen Supercomputer-Simulation IllustrisTNG zu, um Galaxienverschmelzungen im Laufe der kosmischen Geschichte zu modellieren. Von dort aus kombinierte das Team Röntgendaten, die das Wachstum durch Akkretion zeigen, mit den Ergebnissen der simulierten Verschmelzungen, um zu verstehen, wie und wann supermassereiche Schwarze Löcher in den letzten 12 Milliarden Jahren gewachsen sind, von 1,8 Milliarden Jahren nach dem Urknall bis heute.
Diese Simulationen „erfassen die gesamte großräumige Struktur [des Universums] , sind aber auch in der Lage, einzelne Galaxien zu untersuchen“, so Zou.
Geschichten über supermassive schwarze Löcher
Links, in blau, ist ein Röntgenbild eines akkretierenden supermassiven schwarzen Lochs (als Kunstwerk eingefügt), das mit einem optischen Bild von Galaxien im tiefen Universum kombiniert ist. Rechts ist eine IllustrisTNG-Simulation von Galaxien zu sehen, die zeigt, wie sie sich im kosmischen Netz der Materie entwickeln. (Bildnachweis: F. Zou/Penn State, et al.; Beobachtungen: Die XMM-SERVS-Kollaboration; Simulationen: The TNG Collaboration; Illustration: Nahks TrEhnl/Penn State/Penn State)
Zou und Brandt fanden heraus, dass die Röntgendaten zeigen, dass die Akkretion in allen Epochen der kosmischen Geschichte die dominierende Triebkraft für das Wachstum Schwarzer Löcher war. Je massereicher die Galaxie, desto schneller wuchs das supermassereiche Schwarze Loch darin durch Akkretion. Fusionen hingegen sind den Simulationen zufolge weniger wichtig für das Wachstum Schwarzer Löcher, können aber dennoch einen gewissen Einfluss haben.
„In den meisten Fällen dominiert die Akkretion das Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher, und Verschmelzungen leisten einige bemerkenswerte sekundäre Beiträge“, so Zou.
Diese Ergebnisse zeigen auch, dass supermassive Schwarze Löcher früher im Universum schneller wuchsen und häufig neue entstanden. Vor etwa 7 Milliarden Jahren hatte sich die Gesamtzahl der supermassiven schwarzen Löcher jedoch mehr oder weniger eingependelt, und es bildeten sich nur wenige neue supermassive schwarze Löcher. Verschmelzungen hatten in der späteren Geschichte einen größeren Einfluss und erreichten vor etwa 4 Milliarden Jahren einen Höhepunkt in ihrer Bedeutung für das Wachstum Schwarzer Löcher.
„Wir haben herausgefunden, dass, sobald das Universum etwa 40 % seines Alters erreicht hat, die Gesamtdemografie der supermassereichen Schwarzen Löcher der Demografie der supermassereichen Schwarzen Löcher, die wir im lokalen Universum sehen, sehr ähnlich ist“, sagt Zou.
Die Astronomen haben sogar das Schwarze Loch in unserer Galaxie, Sagittarius A*, speziell modelliert und sind zu dem Schluss gekommen, dass der größte Teil seiner Materie erst relativ spät in der kosmischen Zeit entstanden ist. Dieses Wachstum hätte hauptsächlich durch Akkretion stattgefunden, da die meisten Verschmelzungen der Milchstraße mit anderen Galaxien vor mehr als 8 bis 10 Milliarden Jahren stattfanden. Die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation hat jedoch kürzlich Beweise für eine Zwerggalaxie gefunden, die vor nur 2 bis 3 Milliarden Jahren mit der Milchstraße kollidierte. Man geht davon aus, dass Zwerggalaxien Schwarze Löcher mittlerer Masse enthalten, die das Zehn- bis Hunderttausendfache der Masse unserer Sonne betragen. Es ist möglich, dass eine solche Galaxie mit Sagittarius A* verschmolzen ist, um die Masse unseres Schwarzen Lochs zu erhöhen.
Da die Ergebnisse nur bis 1,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall zurückreichen, beschreiben sie nicht, wie sich die Samen für supermassereiche Schwarze Löcher zuerst gebildet haben. Dies bleibt ein Rätsel für Kosmologen, zumal das Hubble-Weltraumteleskop und das James-Webb-Weltraumteleskop überraschend massereiche Schwarze Löcher sehr früh in der Geschichte des Universums gefunden haben. Wie sie in weniger als einer Milliarde Jahren auf das Millionenfache der Masse unserer Sonne anwuchsen, ist derzeit noch unbekannt.
Eine Arbeit, in der die Ergebnisse beschrieben werden, wurde im März im Astrophysical Journal veröffentlicht, und eine zweite Arbeit ist in Vorbereitung.
