Rätsel um Giganten des frühen Kosmos - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Rätsel um Giganten des frühen Kosmos

Früher Kosmos
30.000 Lichtjahre großer Ausschnitt aus einer Simulation des frühen Kosmos mit Dunklem Halo (Ausschnitt) als Geburtstätte von massereichen Schwarzen Löchern. (Bild: Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications)

Bereits mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierten im Kosmos gigantische Schwarze Löcher – supermassereiche Schwerkraftriesen, wie sie heute nur in den größten Galaxien vorkommen. Doch wie konnten diese enormen Gebilde so früh und schnell entstehen? Eine mögliche Erklärung dafür haben nun Astronomen gefunden. Demnach boten schnell wachsende Halos aus Gas und Dunkler Materie diesen frühen Schwarzen Löchern die geeignete „Geburtsumgebung“. Sie ermöglichten den Kollaps dichter Gaswolken zu diesen Schwarzen Löchern.

Es ist eines der großen Rätsel der Astronomie: Immer wieder finden Forscher mithilfe leistungsstarker Teleskope Quasare in mehr als 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Ihre Leuchtkraft verdanken diese aktiven Galaxienkerne einem supermassereichen Schwarzen Loch, das Materie verschlingt. Das Seltsame daran: Diese Schwarzen Löcher umfassen mehrere hundert Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen – das entspricht dem Hundert- bis Tausendfachen des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Wie diese frühen Giganten diese enorme Masse innerhalb von nur wenigen hundert Millionen Jahren nach dem Urknall angesammelt haben konnten, ist bisher unklar.

Voraussetzung sind viel Gas und wenig Sterne

„Die Bildung eines massereichen Schwarzen Lochs erfordert seine Lage in einer Region mit einem intensiven Zusammenstrom von Materie“, erklärt Erstautor John Wise vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Gängiger Theorie nach entstanden in diesen Zonen zunächst extrem massereiche Sterne von mindestens 10.000 Sonnenmassen, die dann bei ihrem Kollaps zu einem Schwarzen Loch wurden. Dieses „Saat“-Gebilde wuchs dann durch Verschlingen weiterer Materie immer weiter, bis es seine enorme Größe erreichte. Das Problem jedoch: Damit solche Extrem-Sterne entstehen, muss die normale Sternbildung weitgehend unterdrückt werden. Nach gängiger Ansicht kann dies nur in Gebieten besonders intensiver UV-Strahlung geschehen.

Nun jedoch präsentieren Wise und sein Team ein alternatives Szenario. „Während UV-Strahlung darin noch immer eine Rolle spielt, ist sie aber nicht der dominierende Faktor“, erklärt Co-Autor Michael Norman von der University of California in San Diego. Für ihre Studie nutzten die Forscher Daten der sogenannten Renaissance Simulation Suite, einer mittels Supercomputer erzeugten, 70 Terabyte umfassenden Simulation des frühen Universums. In diesem „Urkosmos“ stießen die Astronomen auf zehn Halos aus Dunkler Materie, die eigentlich Sterne hätten produzieren müssen, aber stattdessen nur dichte Gaswolken enthielten. Zwei dieser Halos und ihre Entwicklung ab der Zeit rund 270 Millionen Jahre nach dem Urknall haben Wise und sein Team nun in einer weiteren Supercomputer-Simulation detailliert untersucht.

Wachstumsschub statt Strahlung

Die Simulation ergab Überraschendes: Obwohl keine der beiden Halos starker UV-Strahlung ausgesetzt war, entwickelten sich in ihnen schnell massereiche Schwarze Löcher. „Als wir uns das näher anschauten, stellten wir fest, dass diese Gebiete eine Periode extrem schnellen Wachstums durchlebten“, berichtet Wise. Einer der Halos nahm in nur 30 Millionen Jahren um das 30-Fache an Masse zu. Der zweite Halo erlebte zwei Wachstumsschübe, die ihn von rund 200.000 Sonnenmassen erst auf drei Millionen, dann auf fast 30 Millionen Sonnenmassen aufpumpte. Dieses rapide Wachstum heizte das Gas im Inneren der Halos auf und führte zur Bildung von instabilen Zentren, wie die Astronomen erklären. Es entstanden Gasklumpen, die schließlich unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabierten.

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„Wir haben damit einen völlig neuen Mechanismus aufgedeckt, der die Bildung Schwarzer Löcher in bestimmten Halos aus Dunkler Materie auslöst“, sagt Wise. „Statt nur die Strahlung zu berücksichtigen, müssen wir uns anschauen, wie schnell die Halos wachsen.“ Diese Erkenntnis sei ein Paradigmenwechsel und könne ein ganz neues Forschungsfeld eröffnen. Nach Ansicht der Forscher könnte das von ihnen simulierte Szenario auch erklären, warum es mehr Massegiganten im frühen Kosmos gibt als lange gedacht: „Diese Arten von Halo sind zwar selten, aber noch immer häufig genug“, erklärt Co-Autor Brian O’Shea von der Michigan State University. „Wir denken, dass unser Szenario häufig genug ablief, um die Entstehung der massereichsten bisher beobachteten Schwarzen Löcher zu erklären – sowohl im frühen Universum als auch in Galaxien der heutigen Zeit.“

Quelle: John Wise (Georgia Institute of Technology, Atlanta) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-0873-4

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