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STRUKTURBILDUNG WIE ENTSTANDEN DIE ERSTEN QUASARE?


Spektrum der Wissenschaft Spezial Physik, Mathematik, Technik - epaper ⋅ Ausgabe 3/2019 vom 23.08.2019

Viele Schwarze Löcher waren bereits überraschend früh nach dem Urknall gewaltig groß. Ein neuer Entstehungsmechanismus soll das Rätsel lösen, wie es dazu kommen konnte


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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft Spezial Physik, Mathematik, Technik, Ausgabe 3/2019

Quasare gehören zu den leuchtkräftigsten Erscheinungen im Kosmos, wie diese grafische Darstellung illustriert. Sie werden von massereichen Schwarzen Löchern angetrieben, die hineinstürzende Materie aufheizen.


Priyamvada Natarajan ist theoretische Astrophysikerin an der Yale University. Sie erforscht Schwarze Löcher und deren Einfluss auf die Strukturen und die Entwicklung von Galaxien.

spektrum.de/artikel/1580888

In seinen ersten ...

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... Augenblicken war der Kosmos unvorstellbar heiß und kompakt. Es dauerte eine ganze Weile, bis er sich genug ausgedehnt und abgekühlt hatte, damit sich Atome bilden und das Universum mit Gas füllen konnten. Dieses verdichtete sich im Lauf von einigen hundert Millionen Jahren zu den ersten Sternen, die sich 400 Millionen Jahre nach dem Urknall allmählich zu Galaxien zusammenfanden. Astronomen haben festgestellt, dass damals bereits eine weitere Klasse astronomischer Objekte aufleuchtete: die Quasare.

Quasare sind extrem hell. Sie werden befeuert von Gas, das in »supermassereiche« Schwarze Löcher mit der milliardenfachen Masse der Sonne fällt und sich dabei aufheizt. Sie zählen zu den leuchtkräftigsten Gebilden im Universum und sind deswegen noch über gewaltige Strecken hinweg sichtbar. Die am weitesten entfernten und damit jüngsten Quasare stellen die Astronomen allerdings vor ein großes Rätsel, denn es hätte sie zu dem Zeitpunkt eigentlich noch gar nicht geben dürfen.

Konventionelle Theorien zur Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher veranschlagen dafür eine Milliarde Jahre und mehr. Im Rahmen der Himmelsdurchmusterung Sloan Digital Sky Survey stießen Astronomen jedoch bereits 2001 auf einen Quasar zu einer Zeit, als der Kosmos noch jünger war. Über einen weiteren Rekordanwärter berichteten Forscher dann 2017: Er leuchtete bereits 690 Millionen Jahre nach dem Urknall. Wie konnten sich die kosmischen Leuchttürme in so kurzer Zeit bilden? Viele Astronomen meinen, die ersten Schwarzen Löcher – die Saatkörner für die späteren supermassereichen Exemplare – wären zurückgeblieben, nachdem die frühesten Sterne als Supernovae explodiert sind. Doch solche Überreste hätten höchstens ein paar hundert Sonnenmassen enthalten. Es ist schwierig, sich Szenarien auszudenken, in denen derartige Objekte in genügend kurzer Zeit Unmengen von Material aus ihrer Umgebung einsammeln.

Als möglichen Ausweg aus dem Dilemma haben einige Kollegen und ich erstmals vor rund zehn Jahren ein Modell vorgeschlagen, das ohne die Geburt und den Tod von Sternen auskommt. Demnach entstehen die Saatkörner der Schwarzen Löcher stattdessen bei einem direkten Kollaps von Gas innerhalb von einigen wenigen hundert Millionen Jahren nach dem Urknall. Nach dem Schnellstart könnten diese Schwarzen Löcher von anfänglich 10 000 bis 100 000 Sonnenmassen leicht auf bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen anwachsen. Aber ist es tatsächlich so gewesen? Vermutlich wird sich die Frage mit dem James Webb Space Telescope (JWST) beantworten lassen, das nach Verzögerungen frühestens 2021 starten soll.

Schwarze Löcher sind rätselhafte astronomische Objekte, deren gewaltiger Schwerkraft selbst Licht nicht entkommen kann. Bis zur Entdeckung der Quasare war nicht einmal klar, ob es sich vielleicht nur um mathematische Kuriositäten aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ohne reale Bedeutung handelt. Doch bei Quasaren können Astronomen die Strahlung von Materie beobachten, die tatsächlich in entsprechende Gebilde hineinfällt.

Außerordentlich schnelles Wachstum erfordert außergewöhnliche Erklärungen

Die meisten Schwarzen Löcher entstehen nach heutigen Vorstellungen, wenn Sterne mit mehr als etwa zehn Sonnenmassen ihren nuklearen Brennstoff verbraucht haben und deshalb abkühlen. Die Schwerkraft gewinnt dann die Oberhand, und der Stern kollabiert. Das führt zu einer katastrophalen Supernova-Explosion und lässt ein Schwarzes Loch zurück. Lange vermuteten Astronomen, auch die Exemplare in Quasaren müssten über jenen Weg entstanden sein. Es könnte sich, so die Überlegung, um die Überreste der als Population III bezeichneten ersten Sterne im Kosmos handeln. Diese sind etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, als das ursprüngliche Gas im Kosmos abkühlte und fragmentierte, das heißt in einzelne Wolken zerfiel. Die Sterne der Population III waren vermutlich massereicher als die Sterne späterer Generationen und haben vielleicht Schwarze Löcher mit bis zu mehreren hundert Sonnenmassen hinterlassen.

Wenn sie außerdem in dichten Haufen entstanden sind, verschmolzen die aus ihnen hervorgegangenen Schwarzen Löcher rasch miteinander zu Exemplaren mit tausenden Sonnenmassen. Doch selbst diese wären viel zu klein, um die ersten Quasare im jungen Kosmos anzutreiben.

Es gibt außerdem Vermutungen, dass bereits infolge der exponentiellen Expansion des Weltraums in dessen ersten Sekundenbruchteilen »primordiale« Schwarze Löcher entstanden sein könnten. Dabei wären winzige Fluktuationen der Materiedichte im Verlauf der Inflation genannten Frühphase rapide angewachsen (siehe dazu »Die Schwarzen Löcher des Urknalls«,Spektrum Oktober 2017, S. 12). Doch auch die Produkte dieses Vorgangs hätten wohl lediglich etwa 10 bis 100 Sonnenmassen enthalten.

Beide Ansätze stehen also vor demselben Problem, wie die ersten Quasare zu erklären sind: Deren Saatkörner müssten innerhalb der ersten Milliarde Jahre der kosmi schen Geschichte außerordentlich schnell größer geworden sein. Nach aktuellem Wissen sind entsprechende Szenarien höchst unwahrscheinlich. Es gibt nämlich eine Rate, bei der ein Schwarzes Loch optimal wächst, das »Eddington-Limit«. Ein solches Schwarzes Loch verdoppelt seine Masse etwa in der Größenordnung einiger zehn Millionen Jahre. Um derart exponentiell auf eine Milliarde Sonnenmassen anzuwachsen, müsste ein Saatkorn mit der zehnfachen Sonnenmasse eine Milliarde Jahre lang Gas und Sterne am Eddington-Limit aufnehmen. Es ist schwer vorstellbar, wie sich eine ganze Population Schwarzer Löcher kontinuierlich so effektiv Materialnachschub aus der Umgebung holen kann.

AUF EINEN BLICK DIE SAAT DER SCHWARZEN MONSTER

1 In weit entfernten, sehr jungen Teilen des Alls sehen

Astronomen extrem leuchtkräftige Objekte, so genannte Quasare. Diese werden von riesigen Schwarzen Löchern angetrieben.

2 Es ist unklar, wie solche Gebilde so bald nach dem

Urknall entstehen konnten. Über den bisher angenommenen Weg – die Explosion massereicher Sterne –wären sie nicht schnell genug auf Quasargröße angewachsen.

3 Physiker bringen eine Alternative ins Spiel: Schwarze

Löcher könnten direkt aus kollabierenden Gaswolken hervorgegangen sein. Mit neuen Teleskopen wird sich das bald überprüfen lassen.

resultieDas James Webb Space Telescope könnte Hinweise darauf liefern, ob einige Schwarze Löcher im frühen All durch den direkten Kollaps von Gaswolken entstanden sind. Es soll Anfang der 2020er Jahre starten.


Wenn die ersten Quasare tatsächlich aus den Schwarzen Löchern der Population III entstanden sein sollten, müssten sie mehr Materie aufgenommen haben, als das Eddington- Limit erlaubt. Das ist unter speziellen Umständen in einer dichten, gasreichen Umgebung durchaus möglich. Derartige Bedingungen könnte es im frühen Universum gegeben haben, aber sie wären selbst damals nicht die Norm gewesen.

Außerdem kann ein außergewöhnlich schnelles Wachstum dazu führen, dass ein Schwarzes Loch sich gewissermaßen verschluckt – die dabei erzeugte Strahlung stoppt dann den Zustrom von Materie. Sofern unsere Vorstellungen vom Fütterungsprozess Schwarzer Löcher und dem Eddington-Limit stimmen, mag es angesichts dieser Einschränkungen zwar den einen oder anderen Ausnahmequasar gegeben haben. Aber so lässt sich nicht die Existenz einer gesamten Population erklären.

Rettender Kollaps gescheiterter Galaxien

Wir müssen uns deshalb fragen, ob nicht weitere Prozesse die Saatkörner für supermassereiche Schwarze Löcher hervorgebracht haben. Aufbauend auf den Untersuchungen anderer Forschungsgruppen veröffentlichten mein Mitarbeiter Guiseppe Lodato und ich 2006 und 2007 mehrere Arbeiten über einen neuen Mechanismus. Der Prozess beginnt mit großen Scheiben aus ursprünglichem Gas. Normalerweise würden sie abkühlen, fragmentieren und Sterne und Galaxien bilden. Wie wir jedoch mit Computersimulationen zeigten, können sie stattdessen zu dichten Klumpen kollabieren, aus denen Schwarze Löcher mit der zehntausend- bis millionenfachen Sonnenmasse hervorgehen. Dazu muss der normale Abkühlungsprozess allerdings gestört werden.

Scheiben kühlen sich effektiver ab, wenn sie molekularen Wasserstoff enthalten, bei dem jeweils zwei Atome aneinander gebunden sind. Wenn eine Galaxie in der Nachbarschaft intensiv genug leuchtet, bricht die Strahlung diese Bindungen wieder auf. Dann ist der resultieDas rende atomare Wasserstoff zu warm, um daraus Sterne zu bilden. Ohne diese wiederum kann eine solche massereiche, bestrahlte Scheibe dynamisch instabil werden. Daraufhin strömt ihre Materie schnell in das Scheibenzentrum, und durch den direkten Kollaps entsteht ein massereiches Schwarzes Loch. Dieses Szenario beruht auf dem Vorhandensein von Sternen in der Umgebung. Darum spielte es sich wohl vor allem in Materiescheiben ab, die um größere Galaxien mit Sternen der Population III kreisten.

Simulationen von Gasströmungen auf großen Skalen sowie die von kleinräumigeren Prozessen bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen so entstehende Schwarze Löcher plausibel erscheinen. Aber das heißt noch nicht, dass sie auch tatsächlich existieren – wir be- nötigen beobachtbare Beweise. Vermutlich kommt häufig ein Vorgang vor, bei dem das Saatkorn mit der benachbarten Galaxie verschmilzt. Diese würde dem Schwarzen Loch eine neue Quelle an Gas zugänglich machen, das es verschlingen kann. In der speziellen Phase sollte die Struktur im frühen Universum als heller Miniquasar aufleuchten und nachweisbar sein.

Das Schwarze Loch würde nicht nur heller strahlen als die sie umgebenden Sterne, sondern wäre auch massereicher. Das kehrt die normale Ordnung um – üblicherweise sind die Sterne einer Galaxie zusammen etwa 1000- mal schwerer als das zentrale Schwarze Loch. So eine Galaxie mit übergewichtigem Schwarzen Loch (englisch: obese black hole galaxy, OBG) sollte eine sehr spezielle spektroskopische Signatur aufweisen, insbesondere im infraroten Strahlungsbereich bei Wellenlängen von 1 bis 30 Mikrometern. Darauf werden das Mittelinfrarotinstrument und die Nahinfrarotkamera des JWST eingestellt sein. Als leistungsstärkstes Weltraumteleskop der Astronomiegeschichte wird es in die frühesten kosmischen

Epochen blicken. Falls sich dort tatsächlich Galaxien mit übergewichtigen Schwarzen Löchern verbergen, wäre das ein starkes Indiz für das Szenario des direkten Kollapses. Traditionelle Saatkörner für supermassereiche Schwarze Löcher, die aus Sternen der Population III entstehen, wären dagegen wahrscheinlich zu leuchtschwach für einen Nachweis.

Neue Instrumente versprechen Antworten

Möglicherweise lässt sich unser Modell noch auf andere Weise überprüfen. In seltenen Fällen könnte die Muttergalaxie bereits ein zentrales Schwarzes Loch besitzen. Verschmilzt es mit dem durch direkten Kollaps entstandenen Schwarzen Loch, werden energiereiche Gravitationswellen frei. Diese sollten mit der Laser Interferometer Space Antenna (LISA) nachweisbar sein, einer geplanten Satellitenmission der europäischen Raumfahrtorganisation ESA. LISA soll in den 2030er Jahren starten.

Im frühen Universum könnten Schwarze Löcher sowohl durch direkten Kollaps als auch durch Akkretion aus den Überresten von Sternen der Population III hervorgegangen sein. Die Frage ist: Welcher Mechanismus produzierte damals die meisten Quasare? Die Antwort darauf würde Ordnung in die zeitliche Entwicklung der Objekte im jungen Kosmos bringen und Informationen darüber liefern, wie supermassereiche Schwarze Löcher die großen Galaxien in ihrer Umgebung beeinflussen.

Zwei Wege zum Schwarzen Loch

Um Quasare hell aufleuchten zu lassen, benötigen Schwarze Löcher eine enorme Masse. Es ist rätselhaft, wie sie diese schnell genug erhalten haben.

Das konventionelle Bild der Entstehung der frühesten supermassereichen Schwarzen Löcher beginnt mit dem Tod der ersten Sterne (oben). Eine neuere Idee (unten) geht davon aus, dass große Gasscheiben direkt zu Schwarzen Löchern kollabiert sind.

Beobachtungsdaten deuten darauf hin, dass zentrale Schwarze Löcher darüber entscheiden, wie viele Sterne in ihren Galaxien entstehen. Indem die beim Einfall von Materie freigesetzte Energie das umgebende Gas aufheizt, verhindert sie dessen Abkühlung, und die Sternbildung kommt nicht in Gang.

Die Folgen des Vorgangs können sogar weit über das galaktische Zentrum hinausreichen. Wenn eng gebündelte Strahlung nach außen schießt, wirken sich diese energiereichen so genannten Jets bis in die äußeren Regionen der Galaxie aus. Die Mechanismen und Auswirkungen sind höchst komplex, und Astronomen kennen durch die bisherigen Messungen mit Radioteleskopen längst nicht alle Details.

Revolutionäre Technik erweitert gerade unsere Möglichkeiten, Schwarze Löcher aller Massen zu untersuchen und zu verstehen. Als sich 2015 erstmals Gravitationswellen im Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) bemerkbar machten, konnten die Wissenschaftler diese beispielsweise auf zwei zusammenstoßende Schwarze Löcher mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen zurückführen. Inzwischen haben viele weitere Gravitationswellen von ähnlichen Ereignissen Einzelheiten darüber geliefert, wie Schwarze Löcher verschmelzen. Auch als Pulsar Timing Arrays bezeichnete Untersuchungen könnten zukünftig Schwingungen der Raumzeit nachweisen, hier dann durch die genaue Vermessung kosmischer Strahlungsquellen.

Obendrein bilden Astronomen mit Hilfe von auf der ganzen Welt verteilten, virtuell zusammengeschalteten Radioteleskopen supermassereiche Schwarze Löcher ab. Die Wissenschaftler können mit dem Event Horizon Telescope einen ringförmigen Schatten um das Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie sehen, der von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird (siehe »Ins Herz der Finsternis«, S. 58). Und bald wird das JWST Blicke auf die frühesten Schwarzen Löcher gestatten. Viele Entdeckungen sind also schon in naher Zukunft möglich – und könnten unsere Vorstellungen über Schwarze Löcher radikal verändern.