„Niemand hat je vorausgesagt, dass ein einziger zusammenbrechender Stern ein Paar schwarzer Löcher hervorbringen könnte, die dann zusammenfließen.“ - Christian Reisswig
Schwarze Löcher - massive Objekte im Weltraum mit Gravitationskräften, die so stark sind, dass ihnen nicht einmal Licht entweichen kann - gibt es in verschiedenen Größen. Am kleineren Ende der Skala befinden sich die stellaren Schwarzen Löcher, die sich während des Todes von Sternen bilden. Am größeren Ende stehen supermassereiche Schwarze Löcher, die die bis zu eine Milliardefache Masse unserer Sonne enthalten. Über Milliarden von Jahren können kleine Schwarze Löcher langsam zur supermassiven Sorte heranwachsen, indem sie Masse aus ihrer Umgebung aufnehmen und sich mit anderen Schwarzen Löchern verbinden. Dieser langsame Prozess kann das Problem der supermassiven Schwarzen Löcher im frühen Universum nicht erklären - solche Schwarzen Löcher hätten sich weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gebildet.
Jetzt können neue Erkenntnisse von Forschern des California Institute of Technology (Caltech) dazu beitragen, ein Modell zu testen, das dieses Problem löst.
Dieses Video zeigt den Zusammenbruch eines sich schnell differentiell drehenden supermassiven Sterns mit einer winzigen anfänglichen Störung der Dichte m = 2. Der Stern ist gegenüber dem nicht-achsensymmetrischen m = 2-Modus instabil, kollabiert und bildet zwei schwarze Löcher. Die entstehenden Schwarzen Löcher inspirieren und verschmelzen unter der Emission starker Gravitationsstrahlung. Der Kollaps wird durch eine Verringerung des adiabatischen Index Gamma um etwa 0,25% beschleunigt, was durch die Bildung von Elektronen-Positronen-Paaren bei hohen Temperaturen motiviert ist.
Bestimmte Modelle des supermassiven Wachstums von Schwarzen Löchern berufen sich auf das Vorhandensein von „Samen“ -Schwarzen Löchern, die durch den Tod sehr früher Sterne entstehen. Diese schwarzen Keimlöcher nehmen an Masse zu und nehmen an Größe zu, indem sie die sie umgebenden Materialien aufnehmen - ein Prozess, der als Akkretion bezeichnet wird - oder indem sie mit anderen schwarzen Löchern verschmelzen. "Aber in diesen Vorgängermodellen hatte kein Schwarzes Loch so bald nach der Geburt des Universums genug Zeit, um ein supermassives Ausmaß zu erreichen", sagt Christian Reisswig, Postdoktorand für Astrophysik bei der NASA Einstein am Caltech und Hauptautor der Studie. "Das Wachstum von Schwarzen Löchern zu supermassiven Schuppen im jungen Universum scheint nur möglich zu sein, wenn die 'Samen'-Masse des kollabierenden Objekts bereits groß genug war", sagt er.
Um die Ursprünge junger supermassereicher Schwarzer Löcher zu untersuchen, wandte sich Reisswig in Zusammenarbeit mit Christian Ott, Assistenzprofessor für theoretische Astrophysik, und seinen Kollegen an ein Modell mit supermassereicheren Sternen. Es wird vermutet, dass diese riesigen, eher exotischen Sterne nur für eine kurze Zeit im frühen Universum existierten. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Sternen werden supermassive Sterne vor allem durch ihre eigene Photonenstrahlung gegen die Schwerkraft stabilisiert.In einem sehr massereichen Stern drückt die Photonenstrahlung - der nach außen gerichtete Photonenfluss, der aufgrund der sehr hohen Innentemperaturen des Sterns erzeugt wird - das Gas aus dem Stern nach außen, entgegen der Gravitationskraft, die das Gas zurückzieht. Wenn die beiden Kräfte gleich sind gleich, dieses Gleichgewicht nennt man hydrostatisches Gleichgewicht.
Während seines Lebens kühlt sich ein supermassereicher Stern aufgrund des Energieverlusts durch die Emission von Photonenstrahlung langsam ab. Wenn der Stern abkühlt, wird er kompakter und seine zentrale Dichte nimmt langsam zu. Dieser Prozess dauert ein paar Millionen Jahre, bis der Stern eine ausreichende Kompaktheit erreicht hat, damit die Gravitationsinstabilität einsetzt und der Stern durch die Gravitation zu kollabieren beginnt, sagt Reisswig.
Frühere Studien sagten voraus, dass supermassive Sterne beim Kollabieren eine Kugelform beibehalten, die möglicherweise durch schnelle Rotation abgeflacht wird. Diese Form wird als achsensymmetrische Konfiguration bezeichnet. Reisswig und seine Kollegen gingen davon aus, dass diese Störungen dazu führen könnten, dass die Sterne während des Kollapses in nicht achsensymmetrische Formen abweichen. Solche anfänglich winzigen Störungen würden schnell wachsen, was letztendlich dazu führen würde, dass sich das Gas im Inneren des zusammenbrechenden Sterns verklumpt und hochdichte Fragmente bildet.
Die verschiedenen Stadien, die während des Zusammenbruchs eines fragmentierenden supermassiven Sterns angetroffen wurden. Jedes Feld zeigt die Dichteverteilung in der Äquatorebene. Der Stern dreht sich so schnell, dass die Konfiguration zu Beginn des Zusammenbruchs (oberes linkes Feld) quasi-toroidal ist (die maximale Dichte ist nicht zentriert, wodurch ein Ring mit maximaler Dichte erzeugt wird). Die Simulation endet, nachdem sich das Schwarze Loch gesetzt hat (rechts unten). Bildnachweis: Christian Reisswig / Caltech
Diese Fragmente würden das Zentrum des Sterns umkreisen und zunehmend dichter werden, wenn sie während des Zusammenbruchs Materie aufnehmen. Sie würden auch an Temperatur zunehmen. Und dann, so Reisswig, „setzt ein interessanter Effekt ein.“ Bei ausreichend hohen Temperaturen stünde genügend Energie zur Verfügung, um Elektronen und ihre Antiteilchen oder Positronen in sogenannte Elektron-Positron-Paare zu zerlegen. Die Bildung von Elektron-Positron-Paaren würde einen Druckverlust verursachen und den Kollaps weiter beschleunigen. Infolgedessen würden die beiden umlaufenden Fragmente letztendlich so dicht werden, dass sich an jedem Klumpen ein Schwarzes Loch bilden könnte. Das Paar schwarzer Löcher könnte sich dann umeinander drehen, bevor es zu einem großen schwarzen Loch verschmilzt. "Dies ist eine neue Erkenntnis", sagt Reisswig. "Niemand hat jemals vorausgesagt, dass ein einziger zusammenbrechender Stern ein Paar schwarzer Löcher hervorbringen könnte, die sich dann verbinden."
Reisswig und seine Kollegen simulierten mithilfe von Supercomputern einen supermassiven Stern, der kurz vor dem Zusammenbruch steht. Die Simulation wurde mit einem Video visualisiert, in dem Millionen von Punkten kombiniert wurden, die numerische Daten über Dichte, Gravitationsfelder und andere Eigenschaften der Gase darstellen, aus denen die kollabierenden Sterne bestehen.
Obwohl die Studie Computersimulationen umfasste und daher rein theoretisch ist, kann die Bildung und Verschmelzung von Paaren schwarzer Löcher in der Praxis zu ungeheuer starker Gravitationsstrahlung führen - Wellen in Raum und Zeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen ist wahrscheinlich am Rande unseres Universums sichtbar, sagt Reisswig. Bodennahe Observatorien wie das von Caltech geleitete Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) suchen nach Anzeichen für diese Gravitationsstrahlung, die Albert Einstein erstmals in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat. Laut Reisswig werden künftige weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien erforderlich sein, um die Arten von Gravitationswellen zu erfassen, die diese jüngsten Erkenntnisse bestätigen würden.
Ott sagt, dass diese Erkenntnisse wichtige Auswirkungen auf die Kosmologie haben werden. "Das ausgesendete Gravitationswellensignal und seine potenzielle Detektion werden die Forscher über den Entstehungsprozess der ersten supermassiven Schwarzen Löcher im noch sehr jungen Universum informieren und möglicherweise einige - und neue - wichtige Fragen zur Geschichte unseres Universums klären." er sagt.
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