Verwirbelungen durch kühles Gas

Rätsel gelöst: So entstehen supermassereiche schwarze Löcher

Diese Aufnahme der Nasa zeigt ein supermassereiches schwarzes Loch, auch Quasar genannt.

Diese Aufnahme der Nasa zeigt ein supermassereiches schwarzes Loch, auch Quasar genannt.

Bereits knapp eine Milliarde Jahre nach dem Urknall leuchteten im Kosmos die ersten Quasare auf – supermassereiche schwarze Löcher in den Zentren frisch entstandener Galaxien. Wie aber konnten derart große Objekte mit bis zu einer Milliarde Sonnenmassen in – astronomisch gesehen – so kurzer Zeit entstehen? Auf diese Frage hat jetzt ein internationales Forscherteam mithilfe von Computersimulationen eine Antwort gefunden: Ströme aus kaltem, turbulenten Gas verdichten sich zu ersten schwarzen Löchern mit zehn- bis hunderttausend Sonnenmassen. Diese Objekte dienen dann als „Saatkörner“ für die Entstehung der supermassereichen schwarzen Löcher, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

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Im heutigen Kosmos beherbergt nahezu jede Galaxie in ihrem Zentrum ein großes schwarzes Loch mit der millionen- bis milliardenfachen Masse unserer Sonne. Zunächst dachten die Astronomen, diese supermassereichen schwarzen Löcher würden im Laufe der kosmischen Geschichte mehr oder weniger gleichmäßig an Masse zunehmen. Diese Vorstellung musste jedoch korrigiert werden, als zahlreiche Quasare im jungen Kosmos aufgespürt wurden. Auch bei ihnen handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher, in die Materie einströmt und sich dabei erhitzt – deshalb leuchten Quasare heller als die Galaxien, in deren Zentren sie stehen.

Kaltes Gas sorgt für Verwirbelungen

„Kosmologische Simulationen haben gezeigt, dass diese Quasare durch den Zustrom kalten Gases entstehen können“, erläutern Muhammad Latif von der Universität der Vereinigten Arabischen Emirate und seine Kollegen aus Österreich, Großbritannien und Kanada. „Doch die Voraussetzung dafür ist, dass es bereits schwarze Löcher mit zehn- bis hunderttausend Sonnenmassen gibt. Für deren Entstehung gab es bislang jedoch keine schlüssige Erklärung.“ Zwar können ausgefallene Szenarien zur Entstehung dieser „Saatkörner“ für supermassereiche schwarze Löcher führen – doch viel zu selten, um die Häufigkeit der Quasare im jungen Kosmos zu erklären.

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Latif und seine Kollegen gelang es jetzt, mithilfe hochauflösender Computersimulationen eine Erklärung für die Entstehung der ersten schwarzen Löcher zu finden. Wie die Wissenschaftler berichten, führt der Zustrom kühlen Gases in die im jungen Kosmos entstehenden Galaxien zu starken Turbulenzen – und diese Verwirbelungen verhindern, dass sich aus dem Gas ganz normal Sterne bilden. Erst wenn die Masse des angesammelten kühlen Gases auf 30.000 bis 40.000 Sonnenmassen angewachsen ist, kollabiert die dichte Gaswolke unter ihrer eigenen Schwerkraft und bildet ein entsprechend großes schwarzes Loch.

Dieser einfache, robuste Prozess sorge dafür, dass sich überall dort, wo ausreichend Gas für die Entstehung eines Quasars vorhanden ist, zunächst ein „Saatkorn“ bilden kann, so Latif und seine Kollegen. Und dieser Prozess trete zudem häufig genug auf, um die Zahl der Quasare zu erklären. „Die ersten Quasare waren also eine natürliche Konsequenz der Strukturbildung im jungen Kosmos“, so die Forscher, „und benötigten nicht, wie bislang angenommen, exotische, fein abgestimmte Umgebungen“.

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