Astronomie

Urzeitliche supermassereiche Schwarze Löcher. Wie alt sind sie?

Urzeitliche supermassereiche Schwarze Löcher. Wie alt sind sie?

Ich weiß, dass Astronomen supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entdeckt haben. In welchem ​​Alter des Universums wurden diese Schwarzen Löcher entdeckt? Mit anderen Worten, wie lange wird es voraussichtlich dauern, bis sich diese supermassiven Schwarzen Löcher bilden, und durch welche Mechanismen sind sie entstanden, außer durch supermassive Sterne?


Die ersten supermassiven Schwarzen Löcher müssen früher als etwa 750 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sein, da es Hinweise auf leuchtende Quasare mit Rotverschiebungen von bis zu 7 und mit wahrscheinlichen Schwarzen Löchern von einer Milliarde Sonnenmassen oder mehr in ihren Zentren gibt (z Momjian ua (2013).

Die möglichen Mechanismen, um solche Objekte in kurzer Zeit zu produzieren, sind Hyper-Eddington-Akkretion auf stellare Schwarze Lochkeime; der direkte Kollaps großer, ursprünglicher Gaswolken zu Schwarzen Löchern; oder die Verschmelzung von stellaren Schwarzen Löchern in dichten Haufen, gefolgt von Gasakkretion. Diese Möglichkeiten werden von Smith, Bromm & Loeb (2017) zugänglich besprochen.


Die Beobachtung alter Galaxien liefert neue Hinweise auf die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher

Von Nicole Karlis
Veröffentlicht 11. Oktober 2020 19:30 (EDT)

Bild eines Galaxienhaufens vom Hubble Ultra Deep Field (NASA)

Anteile

Vielleicht gilt das alte Sprichwort "Zusammen sind wir besser" auch für das Innenleben des Universums. Am 1. Oktober gaben Astronomen bekannt, dass sie ein riesiges Schwarzes Loch gefunden haben, das von Protogalaxien umgeben ist, die aus dem frühen Universum stammen – als es weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

Die Entdeckung wurde mit Hilfe des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) gemacht. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Es ist das erste Mal, dass so kurz nach dem Urknall eine enge Gruppierung beobachtet wurde. Astronomen hoffen, dass diese Entdeckung uns helfen wird, besser zu verstehen, wie supermassereiche Schwarze Löcher so schnell entstanden und so groß wurden. In einer Erklärung der ESO sagen Astronomen, dass diese Entdeckung die Theorie unterstützt, dass Schwarze Löcher in netzartigen Strukturen schnell wachsen. Nach dieser Theorie liegt es daran, dass sie viel Benzin brauchen, um sie zu betanken.

„Diese Forschung wurde hauptsächlich von dem Wunsch getrieben, einige der schwierigsten astronomischen Objekte zu verstehen – supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum“, sagt Marco Mignoli, Astronom am National Institute for Astrophysics (INAF) in Bologna, Italien, und Hauptautor der neuen Forschung, die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, heißt es in einer Erklärung. "Dies sind extreme Systeme und bis heute haben wir keine gute Erklärung für ihre Existenz."

Die neuen Beobachtungen zeigen, dass mehrere Galaxien ein supermassereiches Schwarzes Loch umgeben, das in einem kosmischen Netz liegt, in dem sich Gas bis zu einer Fläche von mehr als 300 Mal der Breite der Milchstraße erstreckt.

"Die kosmischen Netzfilamente sind wie Spinnennetzfäden", erklärte Mignoli. „Die Galaxien stehen und wachsen dort, wo sich die Filamente kreuzen, und Gasströme – die sowohl für die Galaxien als auch für das zentrale supermassive Schwarze Loch verfügbar sind – können entlang der Filamente fließen.“

Das Licht dieses kosmischen Spinnennetzes ist aus einer Zeit zu uns gereist, als das Universum 0,9 Milliarden Jahre alt war. (Zum Vergleich: Das Universum ist derzeit 13,77 Milliarden Jahre alt.)

"Unsere Arbeit hat ein wichtiges Stück in das weitgehend unvollständige Puzzle gelegt, das die Bildung und das Wachstum solch extremer, aber relativ reichlich vorhandener Objekte so schnell nach dem Urknall ist", sagt Co-Autor Roberto Gilli, ebenfalls Astronom am INAF in Bologna, sagte in einer Erklärung.

Astronomen glauben, dass die allerersten Schwarzen Löcher sehr schnell wuchsen und in den ersten 0,9 Milliarden Jahren des Lebens des Universums Massen von einer Milliarde Sonnen erreichten. Astronomen haben jedoch lange damit gekämpft, zu erklären, wie diese großen Mengen an Brennstoff dazu beigetragen haben, dass diese Schwarzen Löcher so schnell, in so enormen Größen und in so kurzer Zeit nach den Maßstäben des Universums wachsen. Astronomen glauben nun, dass das kosmische "Spinnennetz" und die darin befindlichen Galaxien genug Gas enthalten, um den Treibstoff zu liefern, den ein Schwarzes Loch braucht, um so schnell enorm zu wachsen. Wie sich diese netzartigen Strukturen zuerst gebildet haben, bleibt ein Rätsel, aber Wissenschaftler vermuten, dass massive Halos aus Dunkler Materie der Schlüssel zu einem besseren Verständnis sind.

„Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass sich die am weitesten entfernten und massereichsten Schwarzen Löcher innerhalb massiver Halos aus Dunkler Materie in großräumigen Strukturen bilden und wachsen, und dass das Fehlen früherer Entdeckungen solcher Strukturen wahrscheinlich auf Beobachtungsbeschränkungen zurückzuführen war“, Colin Norman von der Johns Hopkins University in Baltimore, ebenfalls Mitautor der Studie, sagte in einer Erklärung.

Diese Galaxien gehören zu den lichtschwächsten, die von aktuellen Teleskopen beobachtet wurden, was Astronomen glauben lässt, dass es noch so viel mehr zu entdecken gibt.

"Wir glauben, dass wir gerade die Spitze des Eisbergs gesehen haben und dass die wenigen bisher entdeckten Galaxien rund um dieses supermassereiche Schwarze Loch nur die hellsten sind", sagte Co-Autorin Barbara Balmaverde, Astronomin am INAF in Turin, Italien eine Erklärung.

Avi Loeb, Vorsitzender der Astronomieabteilung von Harvard, sagte Salon per E-Mail, dass die Konzentration der Galaxien "in der Nähe eines leuchtenden Quasars liegt, als das Universum etwa eine Milliarde Jahre alt war".

"Der helle Quasar wird durch den Gaseinfall auf ein massives Schwarzes Loch mit einem Gewicht von über einer Milliarde Sonnen angetrieben", sagte Loeb gegenüber Salon. "Ein solches Monster-Schwarzes Loch zu finden ist ähnlich wie ein riesiges Baby von der Größe eines Erwachsenen in einem Kreißsaal zu sehen. Die einzige Möglichkeit, wie es sich so früh bilden kann, ist in einer Galaxie, die massereicher ist als die Milchstraße, die es mit einer riesigen Menge füttert Menge an kaltem Gas."

Loeb fügte hinzu: "Solche Galaxien sind im frühen Universum extrem selten und können nur in den dichtesten Umgebungen aufgebaut werden, in denen Objekte viel früher kondensieren als im Rest des Universums."

"Infolgedessen erwartet man eine überdurchschnittliche Dichte der Umgebung des Quasars mit einer Konzentration zusätzlicher Galaxien", sagte Loeb. "Und genau das hat Mignolis Team gefunden."


Riesige „ursprüngliche“ Schwarze Löcher – größer als supermassive Schwarze Löcher – können existieren, sagt Studie

Bei den sogenannten „staunenswert großen Schwarzen Löchern“ handelt es sich vermutlich um wahrhaft uralte Himmelskörper, die sich möglicherweise schon lange vor Galaxien gebildet haben.

Während Wissenschaftler bereits supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) mit Massen entdeckt haben, die bis zu zehn Milliarden Mal größer sind als die unserer eigenen Sonne, deutet eine kühne neue Studie darauf hin, dass noch größere solcher Himmelskörper existieren könnten.

Laut phys.org konzentriert sich die Studie – von Queen Mary Emeritus Professor Bernard Carr von der School of Physics and Astronomy zusammen mit F. Kuhnel (München) und L. Visinelli (Frascati) – darauf, wie diese sogenannten „staunenswert großen Schwarzen“ Löcher" (SLABs) entstehen und inwieweit sie wachsen können.

Es wird angenommen, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher in ihren Wirtsgalaxien bilden und wachsen, indem sie Materie aus ihrer Umgebung verschlingen oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen. Die Forscher schlagen vor, dass SLABs „primordial“ sein könnten, sich im frühen Universum und weit vor Galaxien bilden könnten“, wie phys.org es ausdrückt.

Während der vermutete Entstehungsmechanismus supermassereicher Schwarzer Löcher eine gewisse Obergrenze für ihre Masse nahelegt – „etwas über zehn Milliarden Sonnenmassen“ – sind die vorgeschlagenen „ursprünglichen“ Schwarzen Löcher kein Produkt eines kollabierenden Sterns und ihre Masse könnte von „sehr klein" bis "erstaunlich groß", fügt die Medienagentur hinzu.

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Grenzen und Kontroversen in der Astrophysik

Kapitel 1. Supermassive Schwarze Löcher und Gravitationswellen [00:00:00]

Professor Charles Bailyn: Okay, das ist die letzte Klasse des Abschnitts über Schwarze Löcher und Relativität. Ich sollte sagen, dass dieser spezielle Abschnitt des Kurses in eine Richtung gegangen ist, die ich nicht ganz erwartet hatte. Wir haben ein wenig mehr getan und sind ein wenig tiefer in die Theorie gegangen. Wir haben nicht ganz so viel an tatsächlich beobachteten Objekten gemacht. Das ist nicht so schlimm. Damit bin ich ganz zufrieden. Ich möchte nur auf ein paar Dinge hinweisen, die auf dem Lehrplan standen, zu denen wir nicht gekommen sind, weil es sehr interessante Dinge sind. Sie können sie auf der Website des kleinen schwarzen Lochs nachschlagen und alles Mögliche über sie herausfinden.

Und eine davon ist, dass es eine Kategorie von sogenannten supermassiven Schwarzen Löchern gibt. Ich habe die Schwarzen Löcher erwähnt, die von Sternen ausgehen, und darüber werde ich heute noch viel mehr sprechen. Aber ich glaube nicht, dass ich die Gelegenheit haben werde, über die supermassiven Schwarzen Löcher zu sprechen. Dies sind Schwarze Löcher, die in den Zentren von Galaxien leben und Massen von Hunderttausenden, Millionen, manchmal sogar Milliarden der Sonnenmasse haben können. Also, sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien – übrigens auch unserer eigenen Galaxie.

Und es ist das Gas, das in diese Schwarzen Löcher fällt, das die Quasare antreibt. Wir haben neulich einen Quasar mit Gravitationslinsen gesehen. Dies sind sehr starke Emissionsquellen, die sich in den Zentren von Galaxien befinden, manchmal als aktive galaktische Kerne bezeichnet, und sie werden von diesen sehr massereichen Schwarzen Löchern verursacht. Das ist eine Sache, die wir wahrscheinlich nicht erreichen werden.

Eine andere Sache ist, dass ich ursprünglich beabsichtigt hatte, ein wenig über Gravitationswellen zu sprechen. Ich erwähnte dies im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die Emission dieser Wellen dazu führt, dass die Umlaufzeiten von Dingen wie dem binären Pulsar, und im Prinzip alle Umlaufbahnen, allmählich kürzer werden. Die Umlaufperiode, die große Halbachse, wird allmählich kürzer. Aber es besteht auch die Hoffnung, dass Sie diese Wellen direkt nachweisen können, dass Sie eine Art Teleskop bauen könnten, das tatsächlich Gravitationswellen beobachtet. Dies ist jetzt in Arbeit. Es ist noch nicht gelungen. Diese können also im Prinzip direkt erfasst werden. Das ist noch nicht geschehen, aber es wird bald sein, denke ich.

Es gibt etwas namens Laser Interferometer Gravity Observatory, abgekürzt LIGO, das im Grunde ein kilometerlanges Stück Metall ist, dessen Länge auf einen Bruchteil der Größe eines Atoms gemessen werden kann. Und wenn eine Gravitationswelle darüber rollt, sollten Sie erwarten, dass das Ding etwas länger und etwas kürzer wird, wenn die Welle darüber läuft. Das Problem dabei ist, dass der Effekt vorbeifahrender Lastwagen auf zehn Meilen entfernten Autobahnen um ein Vielfaches größer ist als der Effekt vorbeifahrender Gravitationswellen. Und so haben sie zwei dieser Dinge gebaut, eines im Bundesstaat Washington und eines in Louisiana. Und der Plan ist, sie gleichzeitig zu betreiben, damit Sie sehen können, dass Dinge, die an beiden Orten passieren, einer kosmischen Quelle zugeschrieben werden können.

Es gibt eine ganze Reihe anderer Dinge, über die man sprechen kann. Es ist ein fabelhaftes Experiment, und wie gesagt, wir werden wahrscheinlich keine Gelegenheit haben, ausführlich darüber zu sprechen. Aber Sie können auf die Website des Schwarzen Lochs gehen, die Links zu allen möglichen anderen Dingen enthält. Und Sie können, wenn ihnen das gelingt, jemand den Nobelpreis gewinnen, und Sie können es herausfinden, indem Sie es in fünf Jahren oder so in der Zeitung lesen. Ja?

Schüler: Es tut mir leid, dass Sie supermassive Schwarze Löcher erwähnt haben. Haben Sie sie schon einmal direkt beobachtet?

Professor Charles Bailyn: Haben wir jemals ein supermassereiches Schwarzes Loch direkt beobachtet? Es hängt davon ab, was Sie mit "direkt beobachten" meinen. Per Definition kann man ein Schwarzes Loch nicht direkt beobachten. Wir schließen ihre Anwesenheit auf fast genau die gleiche Weise ab, wie wir auf die Anwesenheit der kleinen Schwarzen Löcher schließen, über die ich jetzt sprechen werde, nämlich indem wir Dinge um sie herum beobachten. Und so, im Grunde, was Sie zum Beispiel im Zentrum unserer eigenen Galaxie sind, gibt es eine – ich denke 1 Million, 3 Millionen, ich erinnere mich nicht, einige Millionen von Sonnenmassen direkt an der Zentrum der Galaxie. Das erkennt man daran, dass die Umlaufbahnen der Sterne am nächsten sind, die überhaupt keine Strahlung emittieren. Und so gibt es da unten etwas, das extrem massiv und total dunkel ist. Und wir wissen, dass dies wahr ist, indem wir die Umlaufbahnen naher Sterne beobachten.

Und wir können diese Art von Beobachtung tatsächlich in den Zentren anderer Galaxien durchführen. Und soweit wir das beurteilen können, befindet sich mitten in jeder bedeutenden Galaxie eines dieser supermassiven Schwarzen Löcher. Und das war tatsächlich eine der Errungenschaften dieser Art von Astronomie in den letzten zwölf Jahren, oder so, um zu zeigen, für jeden Fall, für den wir genug Daten haben, scheint es ein extrem massives unsichtbares Etwas zu geben, unten in die Mitte dieser Dinge. Und es gibt noch andere Gründe zu der Annahme, dass es sich tatsächlich um Schwarze Löcher handelt und nicht um hundert Millionen Neutronensterne oder so etwas Dummes. Und so sind wir mittlerweile ziemlich überzeugt, dass diese Dinger in den Zentren von Galaxien leben, und wir sind ziemlich überzeugt, dass es eines mitten in unserer eigenen Galaxie gibt. Ja?

Schüler: Warum sind sie in der Mitte aller Galaxien?

Professor Charles Bailyn: Warum sind sie in der Mitte aller Galaxien? Das ist tatsächlich ein kleines Rätsel. Wie diese Dinge hergestellt werden, ist nicht klar. Es ist ziemlich klar, wie die stellare Masse, die zehn Sonnenmassen, hergestellt werden. Es ist der Zusammenbruch eines einzelnen Sterns. Wie sich diese Dinge aufbauen, wie sie wachsen, woher sie überhaupt kamen, ist etwas weniger klar als bei der Sache mit der stellaren Masse.

Es gibt neuere Arbeiten, die darauf hindeuten, dass die allererste Generation von Sternen ziemlich massiv war, Tausende von Sonnenmassen, anstatt Sterne einer Sonnenmasse oder so ähnlich. Und vielleicht kollabierte diese erste Generation von Sternen zu Schwarzen Löchern mit Tausenden Massen, und dann liefen eine ganze Reihe von ihnen ineinander und fielen in die Zentren von Galaxien. Aber ich muss sagen, es ist nicht ganz klar, woher diese supermassiven Dinger kommen. Im Gegensatz zu der Situation bei Schwarzen Löchern mit zehn Sonnenmassen, wo wir, wenn nicht zumindest eine detaillierte Theorie, die breite Geschichte ihrer Herkunft gut im Griff haben.

Kapitel 2. Starkfeld-Relativität [00:07:15]

Okay. Darüber werden wir also nicht sprechen. Lassen Sie mich nun darüber sprechen, worüber wir sprechen werden. Eine Art Meta-Vortrag, schätze ich. Mal sehen, als ich das letzte Mal über den binären Pulsar gesprochen habe. Und das war ein Beispiel für einen sehr detaillierten Test der post-Newtonschen Relativität. Und worüber ich jetzt sprechen möchte, ist die Starkfeld-Relativität. Relativistische Effekte, die nichts mit der Newtonschen Theorie zu tun haben, die völlig anders sind und dann auftreten, wenn Sie wirklich sehr nahe an einem Ereignishorizont sind oder in einer anderen drastischen Situation.

Also, hier ist der Plan, wie würden Sie vorgehen, um die Vorhersagen der Starkfeld-Relativität zu testen? Nun, das erste, was Sie tun möchten, ist ein Schwarzes Loch zu finden. Sprechen Sie nicht nur über sie, sondern können Sie auch in den Himmel zeigen, wo sich einer von ihnen befindet.Und dann möchten Sie es studieren und herausfinden, ob sich dieses Ding, das Sie für ein Schwarzes Loch halten, tatsächlich so verhält, wie es die allgemeine Relativitätstheorie für ein solches Objekt vorhersagen würde. Und insbesondere gibt es diese sehr starke Vorhersage aus der Relativitätstheorie, dass so etwas keine Oberfläche haben würde. Dass es einen Ereignishorizont hätte, nach dem die Dinge verschwinden würden – keine Oberfläche irgendeiner Art. Deshalb möchte ich heute über diese beiden Schritte sprechen.

Und die Geschichte beginnt in den späten 1960er Jahren, Mitte der 1960er Jahre, als die ersten astronomischen Röntgenbeobachtungen von Röntgenstrahlen gemacht wurden. Es beginnt also mit der Röntgenastronomie. Eines der Merkmale der Astronomie des letzten halben Jahrhunderts oder so ist, dass es in den 1950er Jahren viel Astronomie gab, aber alles mit optischem Licht, mit optischen Teleskopen. Und die Geschichte der Astronomie in den letzten fünfzig Jahren war im Grunde eine nach der anderen, in der verschiedene Arten elektromagnetischer Strahlung, nicht die optische, sondern das optische Licht, allmählich erschlossen wurden.

Die erste davon war die Radioastronomie. Und so richten die Leute plötzlich Radioteleskope in den Himmel und finden alles Mögliche heraus, darunter zum Beispiel Pulsare, über die wir das letzte Mal gesprochen haben.

Der nächste Teil des elektromagnetischen Spektrums, der geöffnet wurde, waren Röntgenstrahlen. Nun, es gibt ein Problem bei der Durchführung von Röntgenbeobachtungen, nämlich dass Röntgenstrahlen nicht durch die Atmosphäre gelangen. Die Atmosphäre ist für Röntgenstrahlen völlig undurchlässig. Das ist eine gute Sache. Die Sonne sendet Röntgenstrahlen aus, und Sie möchten auf dem Weg zu sich selbst nicht an einem Ort sein, an dem Sie keine Atmosphäre haben, um die Röntgenstrahlen zu absorbieren. Sie bekommen sofort Hautkrebs. Daher ist die Tatsache, dass die Atmosphäre Röntgenstrahlen absorbiert, für alle gut, außer für die Röntgenastronomen, weil es solche Beobachtungen schwierig macht. Das begann also erst an dem Punkt, an dem man Satelliten in eine Umlaufbahn außerhalb der Atmosphäre bringen und sie mit Röntgendetektoren, im Grunde Geigerzähler, ausstatten konnte.

Heutzutage wird viel darüber gesprochen, zum Mond zurückzukehren. Und einer der ganz wenigen wissenschaftlichen Vorteile einer Mondkolonie besteht darin, dass man bodengestützte Röntgenastronomie betreiben kann. Und so stellen Sie sich einen Bastler in seinem Hinterhof vor, mit einer Art Geigerzähler in einer Kaffeekanne oder so, wie er nach draußen geht und Röntgenstrahlen vom Himmel beobachtet. Und ich denke, das wäre eine großartige Sache, aber ich schweife ab.

Mal sehen, Röntgenastronomie, ja, in den 1960er Jahren. Also schickten sie Geigerzähler auf Satelliten und im Laufe der Jahre immer ausgefeiltere Röntgenteleskope. Und sie entdeckten etwas, was sie nicht erwartet hatten. Dies ist nämlich jetzt in den 1960er Jahren auch, ungefähr zur gleichen Zeit wurden die Pulsare entdeckt. Sie entdecken auch sehr starke Röntgenquellen Röntgenquellen. Und es kommt eine Menge Energie aus diesen Dingen, tausendmal, sogar hunderttausendmal, der Strahlung, die die Sonne aussendet. Strahlung–und von diesen Röntgenquellen, im Wesentlichen alles in Röntgenstrahlen. Es gibt kleine Mengen optischer, radioaktiver und anderer Arten von Strahlung, aber im Grunde sind dies Röntgenstrahlen emittierende Sterne. Sie sind Sterne, die riesige Mengen an Röntgenstrahlung aussenden, und sonst nicht viel. Und sie sind sehr, sehr, sehr mächtig.

Und so fragten sich die Leute, was das war. Diese waren unerwartet. Niemand hatte vorhergesagt, dass dies da sein würde. Und als sie anfingen, darüber nachzudenken, was diese Dinge sein könnten, wurde ihnen klar, was ist Röntgen? Ein Röntgenstrahl ist ein sehr energiereiches Photon, sehr kurzwelliges Licht, daher trägt jedes der Photonen einen großen Schlag. Das sind also energetische Photonen. Und je energiereicher die emittierte Strahlung ist, desto heißer muss das Material sein, das sie emittiert, nur um die Energie zu erhöhen, die Sie brauchen.

Deshalb leuchten gewöhnliche Objekte bei Raumtemperatur im Infrarot. Wenn Sie sie aufheizen, beginnen sie bei Tausenden von Grad. Die Dinge beginnen rot zu leuchten. Wenn Sie sie noch weiter erhitzen, erhalten Sie weißes Licht, blaues Licht. Wenn Sie die Dinge auf Hunderttausende von Grad drehen, erhalten Sie ultraviolette Strahlung. Und es stellt sich heraus, dass man Dinge haben muss, die auf Millionen von Grad erhitzt wurden, um Röntgenstrahlen zu bekommen.

Energetische Photonen würden also von einer hohen Temperatur kommen, was ich meine, wissen Sie, eine Million Grad oder so. Im Gegensatz dazu haben die Sonne und andere ähnliche Sterne eine Oberflächentemperatur von etwa 6.000 Grad. Das ist heiß genug, um optisch zu leuchten, aber nicht heiß genug, um eine große Anzahl von Röntgenstrahlen zu erzeugen. Und Sie können auch noch weiter gehen und sagen, Sie können herausfinden, wie viel Strahlung aus einem bestimmten Volumen von Millionen Grad kommen sollte, was auch immer es ist.

Und Sie entdecken,–so, kombiniert die Temperatur und die Leuchtkraft,’eine kleine Formel, die ich nicht aufschreiben werde, die Ihnen sagt, wie groß das Ding sein muss, um so viel Strahlung auszusenden. Wenn die Sonne fünfmal größer wäre, würde sie 5 2 mehr Strahlung aussenden. Und es stellt sich heraus, dass, wenn Sie dieses Zeug kombinieren, die emittierende Region klein ist – viel kleiner als bei einem gewöhnlichen Stern.

Es gibt ein weiteres Argument, ein völlig anderes Argument, dass alles, was diese Röntgenstrahlen aussendet, klein sein muss, und zwar folgendes: Die Helligkeit dieser Dinge variiert. Auch hier ist ein zweites Argument. Die Helligkeit variiert, und sie ändert sich schnell, Hunderte Male pro Sekunde. Hunderte, auf Zeitskalen von 1/100 Sekunde kann die Helligkeit dieser Dinge um einen Faktor von 2 oder mehr variieren.

Das sagt Ihnen sofort, dass die Größe des Bereichs, der die Strahlung aussendet, kleiner als 1/100 einer Lichtsekunde sein muss. Denn stellen Sie sich vor, hier ist ein Ding, das Strahlung aussendet. Und so kommen Photonen in alle Richtungen. Und du bist irgendwie hier drüben und beobachtest das Ding. Wenn sich die Helligkeit plötzlich ändert, sehen Sie die Helligkeitsänderung vom vorderen Teil des Objekts, bevor Sie die Helligkeitsänderung von diesem Teil des Objekts sehen, da dieser Teil des Objekts eine geringere Entfernung zurücklegen muss, um zu Ihnen zu gelangen . Daher ist die Zeit, die das Licht benötigt, um von einer Seite dieses Objekts zur anderen zu gelangen, eine Art Mindestzeit, die Sie erwarten würden, um eine Änderung der Helligkeit sehen zu können.

Jetzt können Sie sich fragen, was ist, wenn nur dieses kleine Stück heller wird? Nun, dann sollte dieses kleine Stück besser im Wesentlichen die gesamte Strahlung emittieren, die Sie sehen, wenn es die gesamte erhöhte Helligkeit der Strahlung, die Sie sehen, ist. Und dann wenden Sie dasselbe Argument einfach auf dieses kleine Stück an. Daher muss die Größe weniger als 0,01 einer Lichtsekunde betragen.

Kapitel 3. Röntgenstrahlen von binären Sternen [00:17:01]

Jetzt beträgt das Licht 3 x 10 8 Meter pro Sekunde. Die Größe dieser Dinge muss also weniger als 3 x 10 6 Meter betragen. Das ist weniger als was? 3.000 Kilometer. Dies ist etwas, das, all diese Strahlung, das Tausendfache der Strahlung, die Sie von der Sonne sehen, alles in Röntgenstrahlen muss von etwas kommen, das wesentlich kleiner ist als die Erde. Und tatsächlich variieren einige dieser Dinge auf noch kleineren Zeitskalen. Also viel Energie, sehr kleines Objekt. Dies weist Sie wiederum auf Neutronensterne hin, da sie in einem relativ kleinen Volumen eine beträchtliche Schlagkraft packen können. Und als diese Objekte mehr und mehr untersucht wurden, entstand ein Bild von dem, was sie tatsächlich waren. Und das sind Dinge, die Röntgen-Doppelsterne genannt werden. „Binär“ bedeutet einen Doppelstern – zwei Sterne im Orbit umeinander. Und die Idee hier ist, dass einer dieser Sterne eine Art gewöhnlicher Stern wie die Sonne ist, eine etwas seltsame Form hat, die ich gleich erklären werde.

Dies ist also eine Art relativ gewöhnlicher Stern. Und der andere Stern im System, um den es kreist, ist der Oberbegriff „kompaktes Objekt“, ein Beispiel dafür wäre ein Neutronenstern oder möglicherweise ein Schwarzes Loch. Und der Deal ist, dass diese Jungs so nah beieinander kreisen, dass, wenn man sich die Gravitationskraft auf ein Gasatom an diesem Punkt des Sterns ansieht, –

Oh, ich sollte sagen, der Grund, warum der Stern diese seltsame Form hat, ist, dass er riesig ist. Dies ist im Grunde eine Flut. Dadurch wird ein Teil des Sterns angezogen und die normalerweise kugelförmige Form verzerrt. Und so bekommt man diese Art von Tropfen-Ding. Und wenn Sie die Gravitationskräfte auf ein Gasatom analysieren, wird es hier in zwei Richtungen gezogen. Es wird von der Schwerkraft des gewöhnlichen Sterns nach unten gezogen, und es wird in Richtung des gewöhnlichen Sterns gezogen. Aber es wird auch von der Gravitationskraft dieses anderen Dings in die andere Richtung gezogen, was auch immer es ist. Und an dieser tropfenförmigen Stelle hier, dieser Spitze hier, ist die Schwerkraft in Richtung des kompakten Objekts größer. Und das bedeutet, dass die Oberfläche dieses bestimmten Punktes auf der Oberfläche des gewöhnlichen Sterns tatsächlich dieses Material vom Stern abgezogen und auf das kompakte Objekt gezogen wird. Es passiert irgendwie, es geht in die Umlaufbahn und kreist schließlich um das kompakte Objekt.

Sie haben also einen Gasstrom, und all dieses Zeug endet in einer großen Materialscheibe, hier Akkretionsscheibe genannt. Und so gelangt das Gas im Grunde in eine Umlaufbahn um das kompakte Objekt. Jetzt wissen Sie etwas über Umlaufbahnen. Diese sind ganz normal. Jedes Atom hat seine eigene kleine Umlaufbahn. Die Bahnen sind ganz gewöhnliche Bahnen, die durch die üblichen Gleichungen beschrieben werden können. Und eine Sache, die Sie darüber wissen, ist, dass die inneren Umlaufbahnen schneller sind als die äußeren Umlaufbahnen. Wenn Sie sich also zwei Gasstücke vorstellen, die sozusagen nebeneinander ineinander liegen, muss das Innere schneller gehen. Und so reiben sie aneinander, die verschiedenen Teile des Gases.

Dieses Gas erzeugt also Reibung, und Reibung bewirkt zwei Dinge. Zuerst erhitzt es das Zeug. Und woher kommt die Energie für diese Wärme? Es entzieht der Umlaufbahn Energie, was wiederum dazu führt, dass sich das Gas spiralförmig nach innen bewegt. Das Gas in dieser Scheibe wird also allmählich nach innen gewunden. Dabei erzeugt es viel Wärme, erzeugt viel Strahlung. Und was Anfang der 1970er Jahre gezeigt wurde, ist, dass sich das Innere einer solchen Akkretionsscheibe auf Millionen Grad erhitzen kann, und genau das will man mit den Röntgenstrahlen erklären. Die innere Akkretionsscheibe geht also auf Millionen von Grad hoch, und von dort kommen all diese Röntgenstrahlen. Okay. Das ist es also, was diese Röntgenquellen im Prinzip sein sollen. Und es gibt mittlerweile viele Beweise dafür, dass dieses allgemeine Bild im Grunde stimmt. Fragen? Ja?

Schüler: Als ich Sie vorher gefragt habe, ob wir direkt ein supermassives Schwarzes Loch beobachtet haben, auf das ich mich bezog, wären dies wiederum dies wie [Unhörbar]

Professor Charles Bailyn: Die Akkretionsscheiben?

Schüler: Ja.

Professor Charles Bailyn: Ja absolut. Diese werden auch um supermassereiche Schwarze Löcher herum beobachtet. Dort kommt das Licht der Quasare von den Akkretionsscheiben um die supermassiven Schwarzen Löcher. Sie haben es auch. Auch hier ist die Frage, woher dieses Gas kommt, etwas weniger klar als bei den Röntgen-Binärdateien. Aber ja, deshalb.

Es gibt also zwei Möglichkeiten, um zu wissen, dass die supermassiven Schwarzen Löcher existieren. Einer stammt von den Umlaufbahnen des Materials um sie herum und der andere stammt von der Emission der Akkretionsscheibe. Aber es gibt nicht immer Gas. Im Zentrum unserer Galaxie gibt es keine Akkretionsscheibe, und daher sehen wir sie überhaupt nicht. Und so bauen sie in manchen Fällen Gas an, in anderen nicht. Vermutlich gilt das auch für Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen ‒ dass es einige von ihnen gibt, die ihrem Begleiter nicht nahe genug sind, um Masse abzuziehen, und wir sehen sie nicht als helle Röntgenquellen.

Schüler: Bedeutet das unbedingt, dass die Gegenstände in der Nähe nicht stabil sind, ich meine, sie werden nicht auseinander gezogen?

Professor Charles Bailyn: Es tut uns leid?

Schüler: Bedeutet das, dass die Objekte in der Nähe von diesen Schwarzen Löchern nicht auseinandergezogen werden?

Professor Charles Bailyn: Die Gegenstände in der Nähe werden nicht auseinandergezogen. Nun, in diesem Fall wird dem Begleitstern durch das Schwarze Loch allmählich all sein Gas entzogen. Aber wenn es etwas weiter weg wäre, wäre es eine vollkommen stabile Umlaufbahn. Andere Fragen, ja?

Schüler: Warum sollte das Innere eine höhere Geschwindigkeit haben als das Äußere?

Professor Charles Bailyn: Oh. Das ist kleiner. Das ist größer. Ja?

Schüler: Ja, wenn Ihr kompaktes Objekt ein Neutronenstern ist, könnte es dann auch ein Pulsar sein?

Professor Charles Bailyn: Im Prinzip könnte es. In der Praxis stellt sich heraus, dass all das herumwirbelnde Gas dem Magnetfeld und der Radioemission schaden kann. In der Praxis neigen sie also dazu, keine Pulsare zu sein, aber im Prinzip könnten sie es sein.

Schüler: Ist auch ein Pulsar, per Definition, einer, der so ausgerichtet ist, dass wir die Pulsationen sehen können, oder ist er [unhörbar]

Professor Charles Bailyn: Nun, ich meine, es hängt davon ab, wie Sie es genau definieren. Aber ein Pulsar ist etwas, das Radio aus einem außeraxialen Magnetfeld aussendet. Vermutlich, wenn es uns nicht passiert, würden wir nicht wissen, dass es ein Pulsar ist, aber jemand anderes in der Galaxie könnte es sein.

Schüler: Okay.

Professor Charles Bailyn: Andere Fragen an dieser Stelle? In Ordnung, also, nachdem Sie eine Reihe dieser Röntgen-Binärdateien gefunden haben, lautet die Frage: "Können Sie sagen, ob es Schwarze Löcher sind oder nicht?"

Und jetzt möchte ich Sie daran erinnern, dass die Masse eines Neutronensterns kleiner sein muss als das Dreifache der Masse der Sonne. Der Plan ist also, die Umlaufbahn des Begleiters zu beobachten und die Masse des kompakten Objekts zu bestimmen. Und es gibt eine Ableitung, die Sie machen können, die ich Ihnen nicht zeigen werde, aber auch hier können Sie auf der Website des Schwarzen Lochs nachschlagen, die zeigt, was wir hier tun.

Betrachten wir die Radialgeschwindigkeit des Begleiters gegenüber der Zeit, die nach oben geht, nach unten geht. Und Sie bestimmen daraus zwei Dinge: die Umlaufzeit und die Amplitude dieser Sinuskurve, die ich nennen werde going K. Und es stellt sich heraus, dass Sie die folgende Beziehung beweisen können. Dies ist eigentlich leicht zu beweisen, aber es dauert drei Seiten, also werde ich die Übung nicht durchgehen.PK 3 / 2πG ist gleich der Masse des kompakten Objekts –die Masse des Dings, das Sie nicht sehen, mal sin 3 ich. Ich erkläre, dass in einer Sekunde –mal 1 plus die Masse des Objekts, das – der gewöhnliche Stern ist, geteilt durch die Masse des kompakten Objekts ist, und diese wird quadriert.

Also warum solltest du das jetzt tun? Das ist also eine kleine Rechnung. Sie beginnen mit Keplers Gesetzen. Du machst drei Seiten Algebra. Damit kommst du raus. Es wird auf dem Klassenserver niedergeschrieben. Warum würden Sie es tun? Warum würden Sie es in dieser besonderen Form ausdrücken? Hier ist der Deal. Dies wird die sogenannte Massenfunktion genannt und kann nur aus der Geschwindigkeitskurve beobachtet werden.

Schüler: [Unverständlich]

Professor Charles Bailyn: Ja, der ganze Begriff–nur dies. Das nennt man Massenfunktion. Und der Begriff rechts hier ist sehr interessant, denn er ist die Masse des Objekts, das Sie nicht sehen. Masse des kompakten Objekts mal etwas kleiner als 1, Sinus eines beliebigen Winkels.

Oh, ich sollte sagen, die ich hier ist dies die Neigung des Objekts zur Sichtlinie, wenn es genau auf dich zu und von ihm weg kommt, ich ist 90 Grad. Wenn es so herumläuft, ist es null. Das muss drin sein, weil Sie die Radialgeschwindigkeit beobachten.

Aber egal was das ist. Sinus von allem ist 1 oder weniger. Sinus gewürfelt von allem ist 1 oder weniger. Dieser Term hier oben muss also kleiner als 1 sein. Dieser Term unten muss größer als 1 sein. Er ist 1 plus etwas Quadratisches. Unten haben Sie also einen Term, der größer als 1 ist. Das bedeutet, dass diese Größe, die Sie leicht beobachten können, kleiner ist als die Masse des kompakten Objekts. Wenn also die Massenfunktion –Sie die Massenfunktion messen und sie größer als drei Sonnenmassen ist, dann ist das kompakte Objekt auch größer als drei Sonnenmassen. Und wenn das stimmt, muss es ein Schwarzes Loch sein, denn es muss kleiner sein, so klein, dass es sonst nur vernünftigerweise ein Neutronenstern sein könnte. Und doch ist es größer als die Masse des Neutronensterns selbst.

Es gibt ein moderates technisches Problem bei dieser Beobachtung. Und das Problem ist, dass dies schwer zu beobachten ist, weil die Akkretionsscheibe zu hell ist. Die Akkretionsscheibe überstrahlt also den Stern. Glücklicherweise löst die Natur dieses Problem für uns, denn viele dieser Objekte haben intermittierende Akkretionen. Die Akkretion findet also statt. Sie sehen all diese Röntgenbilder. Dann schaltet sich die Akkretion aus verschiedenen Gründen ab. Und dann, wenn die Akkretion ausgeschaltet ist, sehen Sie nur den Begleitstern, und so können Sie diese Messung durchführen, wenn die Akkretion ausgeschaltet ist.

Kapitel 4. Schwarze Löcher mit Röntgenstrahlen finden [00:30:08]

So finden Sie ein Schwarzes Loch. Zuerst gibt es plötzlich eine neue Röntgenquelle. In einem dieser transienten Systeme schalten sich die Röntgenstrahlen ein. Dann wartest du. Dann gehen die Röntgenstrahlen aus. Dies geschieht in der Regel nach einigen Monaten. Sobald die Röntgenstrahlen ausgeschaltet sind, bedeutet dies, dass die Akkretionsscheibe nicht mehr da ist und Sie die Massenfunktion messen. Und dann, wenn das größer als drei Sonnenmassen ist, gewinnt man nämlich, man hat ein Schwarzes Loch entdeckt. Und das ist eine Abfolge von Ereignissen, die ich ziemlich mag. Das hat mir eine Anstellung gebracht. Und so dachte ich, ich zeige Ihnen ein Beispiel dafür, wie das im wirklichen Leben funktioniert. Mal sehen, okay. Hier ist –oh, lass mich das Licht ein wenig runterdrehen

Richtig, das ist also nur eine Art Künstlerkonzeption einer Röntgen-Binärdatei. Hier ist der Begleitstern. Hier ist die Akkretionsscheibe. Unten in der Mitte befindet sich ein kompaktes Objekt, das so klein ist, dass Sie es nicht sehen können. Dieses rote Zeug soll Radioemission sein, die von den Polen kommt. Und Sie können den kleinen Gasstrom sehen, der von einem zum anderen fließt. So sieht es aus, wenn es röntgenaktiv ist. Wenn die Röntgenstrahlen ausgeschaltet werden, häuft sich das Zeug einfach im äußeren Teil der Akkretionsscheibe an. Es gibt nicht genug Reibung, um es hineinzutreiben, keine Röntgenstrahlen und im Grunde ist alles, was Sie sehen können, der Begleitstern.

Lassen Sie mich Sie jetzt fünfzehn Jahre zurückversetzen.Das ist etwas, das mir auf den Schreibtisch ging, kurz nachdem ich Anfang der 90er Jahre als Assistant Professor nach Yale kam. Dies ist ein astronomisches Telegramm. Das ist ein altmodisches Wort. Jetzt erledigen wir das natürlich alles per E-Mail. Und dies ist ein System, um die Ergebnisse von bahnbrechenden Nachrichten in den Himmeln zu verbreiten. Wissen Sie, wenn Sie eine Supernova oder einen aufregenden – oder Kometen oder etwas Aufregendes am Himmel sehen, können Sie es kaum erwarten, es eineinhalb Jahre zu veröffentlichen, denn bis dahin wird es verschwunden sein, und niemand sonst wird es studieren. Wir haben also dieses System zum Verteilen von Nachrichten über schnell brechende Ereignisse, damit andere Leute sie studieren können.

In diesem speziellen Fall gibt es hier unten eine ganze Menge Astro-Jargon. Der Titel ist das einzige, worauf Sie achten müssen. „Röntgentransient im Sternbild Musca.“ In Musca tauchte plötzlich eine neue Röntgenquelle auf. Diese Jungs haben es gefunden.

Sie haben wahrscheinlich noch nie von der Konstellation Musca –Musca the Fly gehört. Ja. Es gibt zwei Gründe, warum Sie noch nie davon gehört haben. Einer ist es auf der Südhalbkugel. Sie können es von hier aus nicht sehen. Aber der andere Grund ist, dass es eine ziemlich erbärmliche Ausrede für eine Konstellation ist. Es ist ein lausiger Stern vierter Größe. Deshalb nennen sie es die Fliege, oder? Aber sie mussten diesen Teil des Himmels etwas nennen, und es ist jetzt meine Lieblingskonstellation, weil es dieses Objekt enthält.

Jedenfalls tauchte in Musca plötzlich eine helle Röntgenquelle auf. Etwa einen Monat später war die Röntgenquelle immer noch hell. Ich fand mich an diesem schönen Ort wieder. Dies ist ein Observatorium in Chile, wo Sie unter anderem die Südhalbkugel sehen können. Und die beiden hier abgebildeten Teleskope – das war zu dieser Zeit das größte und leistungsstärkste Teleskop der südlichen Hemisphäre. Dies ist die Tür, nur um Ihnen ein Gefühl der Größe zu geben.

Und dieses Ding hier im Vordergrund, das auf diesem Bild groß auffällt, aber eigentlich viel kleiner ist, muss ich Ihnen sagen, ist einer der weiter entfernten Außenposten des Yale-Imperiums. Dies ist das Ein-Meter-Teleskop von Yale. Es wurde in Bethany, Connecticut, gebaut, und dann in den frühen 1970er Jahren sagte jemand: Nun ja, Connecticut ist ein wirklich dummer Ort, um ein Forschungsteleskop zu haben, es schneit die ganze Zeit. Und so haben sie es irgendwie abgeholt und nach Chile gebracht. Und so ist es bis jetzt nur unser zweitbestes Forschungsteleskop, und ich mag es sehr.

Und so fand ich mich einige Monate nach der Entdeckung dieser Röntgenquelle in Musca an diesem Teleskop wieder. Also habe ich das Programm, von dem ich dachte, dass ich es machen würde, weggeworfen und mir stattdessen dieses Ding angesehen. Und ich fand, dass es alle 10,5 Stunden ein wenig heller wurde und dann ein wenig schwächer und dann ein wenig heller. Und dies war die – die Akkretionsscheibe war noch da, also war dies vermutlich ein Effekt, zum Beispiel der Begleitstern, der sich vor der Akkretionsscheibe kreuzte, oder so ähnlich.

Also habe ich mein eigenes Telegramm abgefeuert. Es gibt zwei Dinge, die Sie von diesem wissen müssen. Das bin ich. Und der andere ist, dass ich behauptete, dass es eine 10,5-stündige Modulation der Helligkeit der Quelle gab, was die Umlaufzeit sein könnte. Das ist eine interessante Sache zu wissen, denn wenn Sie die Umlaufzeit kennen, wenn Sie wissen P in der Massenfunktion, und Sie denken, dass dies ein Schwarzes Loch sein könnte, können Sie herausfinden, wie groß K muss sein, damit dies ein Schwarzes Loch ist. Und die Antwort ist, dass wenn Sie die Radialgeschwindigkeit dieses Dings messen würden, die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Radialgeschwindigkeit wäre, wenn das 800 Kilometer pro Sekunde oder mehr wären, dann müsste das kompakte Objekt in diesem System dies tun ein schwarzes Loch sein.

Das Problem war, dass ich diese Messung nicht durchführen konnte, weil das Yale-Teleskop zunächst nicht stark genug war, um dies zu tun. Zweitens war die Akkretionsscheibe noch zu hell, um Beobachtungen des Begleiters zu ermöglichen. Also habe ich mich mit ein paar Leuten zusammengetan, die das schon einmal gemacht haben: Ron Remillard vom MIT, Jeff McClintock von The Smithsonian. Und wir haben uns beworben, um Zeit am großen Teleskop zu bekommen.

Das große Teleskop, das ich Ihnen gezeigt habe, ist vom National Observatory, und Sie müssen einen Vorschlag schreiben, um Zeit dafür zu bekommen. Viele Leute wollen Zeit dafür haben. Es ist ziemlich konkurrenzfähig. Aber wir haben einen guten Vorschlag geschrieben. Und so gaben sie uns im folgenden Jahr, nachdem die Röntgenstrahlen ausgeschaltet waren, drei Nächte Teleskopzeit auf dem großen Teleskop, um diese Radialgeschwindigkeitskurve zu machen.

Also, nur um dich zu orientieren, hier ist Chile. Hier ist die Hauptstadt Santiago. Cerro Tololo ist hier oben in den Anden. Sie nehmen also diese riesige Flugzeugfahrt und fahren dann hinauf, um hier hineinzufahren. Und dann, was geschah, war –erst sehen. In der ersten Nacht hat es geregnet. Das ist eine Art Berufsrisiko. Der Grund, warum es all diese Teleskope in Chile gibt, sind die Berge in der Wüste, die ein ausgezeichneter Ort sind, um Teleskope aufzustellen. Wie sich herausstellt, ist es selbst in der Wüste manchmal bewölkt, manchmal regnet es. Das war die erste Nacht, also war das raus.

Die zweite Nacht–oh, das war interessant, es gab einen Hagelsturm. Ich weiß nicht, ob Sie jemals in einem sechsstöckigen, hohlen Stahlgebäude im Hagel waren. Es ist eine sehr interessante Erfahrung, aber wissenschaftlich nicht produktiv. Und so gibt es Ihnen diese kleinen Schlafräume, die licht- und schalldicht sind, weil Sie tagsüber schlafen müssen. Und so gibt es diesen sehr dramatischen Moment. Sie wachen um 4:00 Uhr nachmittags auf und fahren die Jalousien hoch, um zu sehen, ob es Wolken gibt. Am dritten unserer drei Nächte war zum Glück alles klar. Der Sturm war vorbei und wir konnten, dann & so saßen wir jetzt irgendwo in diesem Gebäude und konnten unsere Beobachtungen machen. Lassen Sie mich Ihnen zeigen, was wir getan haben.

Hier ist ein Diagramm von Stunden, Zeit und Stunden in der Nacht vom 3. April 1992 gegen die Radialgeschwindigkeit. Dies wird also ein Radialgeschwindigkeitsdiagramm sein. Das Erste, was wir beobachteten, war dieser Punkt direkt nach Sonnenuntergang. Und Sie bemerken, dass das Objekt mit 250 Kilometern pro Sekunde auf uns zukommt. Das sind schon sehr gute Nachrichten. Denn 250 Kilometer pro Sekunde sind tatsächlich etwas größer als die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie. Der einzige Grund, warum etwas diese Art von Geschwindigkeit hätte, ist, wenn es sich in der Umlaufbahn um ein anderes nahes Objekt befindet oder Objekte in der Galaxie normalerweise nicht so hell sind.

Also haben wir noch ein paar Beobachtungen gemacht. Und nach der dritten Beobachtung war klar, dass die Grundparameter dieses Systems mehr oder weniger richtig waren. Es war mit 250 Kilometern pro Sekunde auf uns losgegangen. Ein paar Stunden später entfernte er sich mit 200 Kilometern pro Sekunde von uns. In nur zwei Stunden hatte es sich also von einer hohen Geschwindigkeit auf uns gedreht, um sich von uns zu entfernen. Also, das ist gut. Es befindet sich in einer Umlaufbahn. Es befindet sich in einer Umlaufbahn mit einer sehr kurzen Periode. Und das war sehr ermutigend.

Und dann haben wir weitere Daten gesammelt. Und gegen Mitternacht waren wir ziemlich zufrieden mit uns, denn man kann sehen, was passiert. Es kommt jetzt mit 400 Kilometern pro Sekunde von uns weg, aber es ist klar, dass es kurz davor steht, umzukehren und in diese Richtung zu gehen. Wenn Sie 5 ¼ Stunden vor dieser Wende hochrechnen, erhalten Sie hier unten einen Punkt. Das bedeutete, dass es von minus 400 auf plus 400 gestiegen wäre. Das sind 800 Kilometer pro Sekunde. Wenn Sie das glauben, dann ist dies wahrscheinlich ein Schwarzes Loch.

Wir sind also ziemlich zufrieden mit uns. Wir öffneten eine kleine Flasche des lokalen Feuerwassers – schreckliches Zeug namens Pisco. Das darfst du nicht, oder? Sie sollten keine schweren Maschinen bedienen. Und die Natur war nicht freundlich. Dafür wurden wir bestraft. Es gab ein kleines Erdbeben. Chile befindet sich in einer Erdbebenzone, und das tut der präzisionsausgerichteten Optik also schlecht. Der nächste Punkt war also aus Gründen, die wir in unserem Papier nie erklärt haben, etwas verzerrt. Und dann gab es eine Lücke, in der wir für eine Weile keine Daten nahmen, während wir uns wieder aufrichteten.

Und dann, hier ist der nächste Punkt. Und das ist jetzt wieder ermutigend. Und dann wurden gegen Ende der Nacht weitere Daten gesammelt. Und so waren wir, als die Dämmerung anbrach, irgendwie wieder da, wo wir angefangen hatten. Das Ding kam mit 250 Kilometer pro Sekunde auf uns zu. Und hier unten brauchten wir wirklich noch einen Punkt, um das Ganze festzunageln.

Das Problem war, dass das Objekt jetzt natürlich im Westen untergeht. Wissen Sie, die Erde dreht sich, also steigen Objekte im Osten auf und gehen im Westen unter. Und wenn Sie sich ein Teleskop vorstellen können, das einem Objekt in den Westen folgt, dann zeigt es so. Das optische Hauptelement dieses Teleskops ist ein riesiger Spiegel, ein vier Meter breiter Spiegel. Also, dreizehn Fuß breit. Und es ist nicht verschraubt, insbesondere weil, wenn Sie Schrauben in den Spiegel setzen, Temperaturänderungen die Größe der Schrauben verändern und die Optik aus der Ausrichtung werfen. Also, es ist einfach so, da zu sitzen, und es kippt in diese Richtung. Und irgendwann wird es herausfallen, auf den Boden fallen.

Es ist viel mehr als sieben Jahre Pech für einen Astronomen, den Hauptspiegel des größten Teleskops der Südhalbkugel zu zerbrechen. Und so lassen sie die Astronomen das Teleskop nicht selbst bewegen. Das wäre viel zu gefährlich. Dafür haben sie Experten ausgebildet. Und der ausgebildete Experte sagte an dieser Stelle zu uns: „Sie müssen aufhören, dieses Objekt zu beobachten. Wir sind jenseits der Sicherheitsgrenzen“, und so weiter.

Und wir sagten, wie es die Wissenschaftler tun: „Nein, nein, im Interesse der Wissenschaft müssen wir noch einen Punkt haben.“ Dieser Streit dauerte eine Weile, und sie waren dabei, uns sozusagen den Stecker zu ziehen. Und dann sagten wir: „Okay, gut“, wissen Sie, „wir verstehen. Die Sicherheit des Teleskops steht an erster Stelle.“ Aber während des Streits haben wir einen weiteren Punkt gesammelt. Und so ist das hier unten sozusagen der entscheidende Fall, da er mit 400 Kilometer pro Sekunde auf uns zukommt. Wir sind also sehr zufrieden mit uns.

Beim Frühstück machten wir die Übung, die am besten passende Sinuskurve zu finden. Hier ist es. Und wenn Sie herausfinden, was die Massenfunktion ist –die Umlaufzeit beträgt 10,5 Stunden–die Massenfunktion ist das 3,1-fache der Masse der Sonne. Also, sehr gute, sehr gute Nachrichten. Sie werden dies plus oder minus 0,05 bemerken. Die Daten sind nicht so toll. Wir haben in der Folge viel mehr Daten zu diesem Ding erhalten. Es stellt sich heraus, dass es sich um 3.1 handelt. Aber es ist auch wahr, dass –erinnere dich daran, dass diese Formel diese Sünde hatte ich drin. Und wir konnten auf andere Weise feststellen, was die Neigung ist. Und es ist jetzt klar, dass dieses Objekt ein kompaktes Objekt mit einer Masse von etwa sieben Sonnenmassen enthält. Sehr, sehr schöne Sache.

Wir haben dieses Papier veröffentlicht. Andere Leute haben andere Papiere veröffentlicht. Inzwischen–oh, hier ist unser Telegramm vom nächsten Morgen. Auch hier, Kauderwelsch, abgesehen von der Tatsache, dass der Wert der Massenfunktion 3,1 beträgt, „liefert dynamische Beweise dafür, dass das Primäre ein Schwarzes Loch ist“.

Also wollten wir einen Artikel mit dem Titel „Schwarzes Loch im Sternbild Musca“ veröffentlichen. Da waren die Leute etwas vorsichtig. Sie sagten, wissen Sie, Sie haben noch nicht bewiesen, dass Einsteins Relativität richtig ist. Wenn Einstein falsch liegt, muss dies nicht unbedingt ein Schwarzes Loch sein. Wir sagten, komm schon. Sie können davon ausgehen, dass Einstein Recht hat. Sie sagten, na ja, vielleicht nicht. Wir können diese Dinge also „dynamisch bestätigte Kandidaten für Schwarze Löcher“ nennen. Das ist das offizielle Wort.

Und hier ist die aktuelle Sammlung dieser Dinge, skaliert auf Sonne und Merkur. Der, den wir uns angesehen haben, ist sehr nahe. Es ist eine Umlaufbahn von 10,5 Stunden. Dieses Ding, viel größer, dreißig Stunden [Korrektur: dreißig Tage] Umlaufbahn, viel größerer Begleitstern. Aber alle Schwarzen Löcher hier drin haben zwischen dem Fünf- und Fünfzehnfachen der Masse der Sonne.

Und so gibt es jetzt, fünfzehn Jahre später, eine ganze Sammlung dieser Dinge. Es gibt auch eine Sammlung von Dingen, die sich als Neutronensterne herausstellten. Jetzt können Sie also ein Experiment durchführen. Und Sie können in der Allgemeinen Relativitätstheorie experimentieren. Hier ist die Ableitung. Ich überspringe das für dich. Und Sie können sich fragen, ob es tatsächlich Ereignishorizonte gibt.

Hier ist also das Experiment. Sie haben ein Dutzend oder so Dinge, die Neutronensterne sind. Sie haben noch ein Dutzend oder so Dinge, die schwarze Löcher sind. Sie gießen Gas auf beide. Und tatsächlich, das ist es, was die Begleitsterne tun. Deshalb haben sie all diese Röntgenbilder.

Was passiert, wenn Gas auf einen Neutronenstern fällt? Es nimmt viel Geschwindigkeit auf und beginnt mit Lichtgeschwindigkeit zu fahren und trifft direkt auf die Oberfläche. Wenn es also auf die Oberfläche trifft, muss seine gesamte kinetische Energie, all seine thermische Energie, aufhören. Die kinetische Energie hört auf, und all diese Energie geht in die Oberfläche des Neutronensterns, irgendwie –, was man Grenzschicht nennt, und muss irgendwie wieder abgestrahlt werden. Es erwärmt im Grunde die Oberfläche des Neutronensterns. Sie erhalten Röntgenstrahlen von dieser Oberflächenschicht.

Gas, das auf ein Schwarzes Loch fällt, tut es nicht. Es fällt direkt durch den Ereignishorizont. Und die kinetische Energie und die thermische Energie in diesem Gas tragen nur zur Masse des Schwarzen Lochs bei und es wird nicht wieder abgestrahlt. Ihre Vorhersage lautet also, dass für die gleiche Masse, die auf einen Neutronenstern wie auf ein Schwarzes Loch fällt, der Neutronenstern heller sein würde, da all diese zusätzliche Energie, die durch das Akkretionsmaterial eingebracht wird, abgestrahlt würde , im Fall des Schwarzen Lochs wäre dies nicht der Fall. Es würde einfach vom Schwarzen Loch selbst eingefangen werden.

Mit dem modernsten Röntgenteleskop haben die Menschen also versucht, Schwarze Löcher und Neutronensterne in einer Situation zu messen, in der sie vergleichbare Mengen emittieren, wo die Massenakkretionsrate, die Menge an Masse, die akkretiert wird, vergleichbar ist. Die schwarzen Dinger hier sind also die schwarzen Löcher. Die offenen Kreise sind die Neutronensterne. Dies ist ein Maß für die Helligkeit und ist logarithmisch. Das sind also 10 -8 , 10 -6 und einige alberne Einheiten.

Und das ist zwischen hier und hier ein Faktor von 100. Dies ist die Umlaufzeit. Der Grund, warum sie die Orbitalperiode darstellen, ist, dass es gute Gründe zu der Annahme gibt, dass die Menge der Massenakkretion proportional zur Orbitalperiode ist. Sie erwarten also, dass lange Umlaufbahnen mehr Massenzunahme aufweisen als kürzere.

Aber der Sinn dieser Grafik ist klar. Zwischen den Neutronensternen, den Dingen, die wir für Neutronensterne halten, und den Dingen, die wir für Schwarze Löcher halten, gibt es eine Lücke, die Sie mit einem Lastwagen durchfahren können, von etwa einem Faktor von 100 in der Helligkeit. Die Interpretation davon war, dass die Schwarzen Löcher keine Oberfläche haben. Denn wenn sie eine Oberfläche hätten, müsste diese zusätzliche Energie wie bei den Neutronensternen abstrahlen.

Kapitel 5. Fazit [00:46:43]

Dies ist also ein erster Schritt in Richtung eines Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie mit starkem Feld. Es ist nur ein erster Schritt, denn Sie müssen wirklich verstehen, wie viel Masse fällt, was die Geometrie des Massenstroms ist und eine ganze Reihe sehr komplizierter Gasdynamiken. Dies wird manchmal als „Gastrophysik“ bezeichnet. Und genau daran arbeiten wir gerade, um genau zu verstehen, was mit diesen Dingen vor sich geht. Und wenn man das verstanden hat, dann könnte man einen solchen Plot als Beweis dafür nehmen, dass es Ereignishorizonte gibt. Das bringt Sie also bis ins Jahr 2007, bei der Erforschung der Starkfeld-Relativität und der Schwarzen Löcher. Und das ist das Ende dieses Abschnitts des Kurses. Das ist das Ende dieses Abschnitts des Semesters. Habt eine schöne Pause und wir quälen euch danach mit einem Test.


Rekord: Wissenschaftler entdecken ersten bekannten ‘Sturm’ von supermassiven Schwarzen Löchern

Galaxien und ihre supermassiven Schwarzen Löcher haben eine enge Beziehung. Die Objekte scheinen sich gemeinsam zu entwickeln, vielleicht durch die Wirkung von „Winden“, die die zentralen Schwarzen Löcher erzeugen, wenn sie Staub und Gas verschlingen. Die Schwerkraft der Schwarzen Löcher beschleunigt dieses einfallende Material auf unglaublich hohe Geschwindigkeiten, wodurch Energie freigesetzt wird, die anderes Material nach außen blasen kann. Verwandte: Schwarze Löcher des Universums (Bilder)

"Die Frage ist, wann sind galaktische Winde im Universum entstanden?" Takuma Izumi, ein Forscher am National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), sagte in einer Erklärung. „Dies ist eine wichtige Frage, weil sie mit einem wichtigen Problem der Astronomie zusammenhängt: Wie haben sich Galaxien und supermassereiche Schwarze Löcher gemeinsam entwickelt?“ Die neuen Ergebnisse, die am 14. Juni online im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, werfen ein weiteres Licht auf die sehr enge und sehr alte Verbindung zwischen Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern.

HSC J124353.93+010038.5 liegt 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Und das macht sie zu einem Rekordbrecher: Die früheste bekannte Galaxie mit einem beträchtlichen Wind war ein etwa 13 Milliarden Lichtjahre entferntes Objekt, sagten die Forscher. „Unsere Beobachtungen unterstützen jüngste hochpräzise Computersimulationen, die vorhergesagt haben, dass koevolutionäre Beziehungen schon vor etwa 13 Milliarden Jahren bestanden“, sagte Izumi. „Wir planen, in Zukunft eine große Anzahl solcher Objekte zu beobachten, und hoffen, damit klären zu können, ob die in diesem Objekt beobachtete ursprüngliche Koevolution ein genaues Bild des damaligen allgemeinen Universums ist.“

Als nächstes untersuchte das Team die Bewegung von Gas in diesen Galaxien mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einem Netzwerk leistungsstarker Radioteleskope in Chile. Die ALMA-Daten zeigten, dass eine Galaxie namens HSC J124353.93+010038.5 einen galaktischen Wind mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,1 Millionen mph (1,8 km/h) aufweist – schnell genug, um viel Material nach außen zu schleudern und die Sternentstehungsaktivität zu behindern. Takumi leitete ein Forscherteam, das sich mit diesen Fragen beschäftigte. Mit dem Subaru-Teleskop des NAOJ auf Hawaii fanden die Wissenschaftler mehr als 100 Duos aus supermassereichen Schwarzen Löchern, die mindestens 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegen, was bedeutet, dass sie vor mehr als 13 Milliarden Jahren existierten. (So ​​lange dauerte es, bis ihr Licht die Erde erreichte.) Das Universum war damals jung, relativ gesehen ereignete sich der Urknall vor etwa 13,82 Milliarden Jahren.

Quelle Mike Wall ist der Autor von „Out There“ (Grand Central Publishing, 2018 illustriert von Karl Tate), einem Buch über die Suche nach außerirdischem Leben.Folgen Sie ihm auf Twitter @michaeldwall. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom oder Facebook.


Auf der Jagd nach urzeitlichen Schwarzen Löchern

Die Andromeda-Galaxie ist die nächste Nachbargalaxie der Milchstraße, 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Bildnachweis: HSC-Projekt / NAOJ

Die Theorie, dass dunkle Materie aus urzeitlichen Schwarzen Löchern mit einer Größe von Bruchteilen eines Millimeters bestehen könnte, wurde von einem Forscherteam unter der Leitung des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) ausgeschlossen.

1974 beschrieb der Physiker Stephen Hawking, wie sich urzeitliche Schwarze Löcher im Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall gebildet haben könnten. Urzeitliche Schwarze Löcher könnten Massen von einem winzigen Fleck bis zum 100.000-fachen unserer Sonne haben. Im Gegensatz dazu begannen sich durch astronomische Beobachtungen entdeckte supermassereiche Schwarze Löcher mindestens Hunderttausende von Jahren später zu bilden und sind Millionen oder Milliarden Mal größer als unsere Sonne. Da primordiale Schwarze Löcher jeglicher Größe nicht entdeckt wurden, sind sie ein faszinierender Kandidat für schwer fassbare Dunkle Materie.

Baryonische Materie macht nach unserem derzeitigen Kenntnisstand nur 5 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Der Rest ist entweder Dunkle Materie (27 Prozent) oder Dunkle Energie (68 Prozent), die beide noch nicht physikalisch nachgewiesen wurden. Aber Forscher sind zuversichtlich, dass dunkle Materie existiert, weil wir ihre Auswirkungen auf unser Universum sehen können. Ohne die Gravitationskraft der Dunklen Materie würden die Sterne in unserer Milchstraße auseinander fliegen.

Um die Theorie zu testen, dass urzeitliche Schwarze Löcher, insbesondere solche mit der Masse des Mondes oder weniger, dunkle Materie sein könnten, suchten die Kavli IPMU-Forscher Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura und Mitarbeiter aus Japan, Indien und den USA nach diesen winzigen Schwarzen Löcher zwischen der Erde und der Andromeda-Galaxie, der nächsten Nachbargalaxie der Milchstraße, 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt.

Daten des Sterns, die die Charakteristik einer Vergrößerung durch eine potenzielle Gravitationslinse, möglicherweise durch ein urzeitliches Schwarzes Loch, zeigten. Ungefähr 4 Stunden nach Beginn der Datenaufnahme mit dem Subaru-Teleskop begann ein Stern heller zu leuchten. Weniger als eine Stunde später erreichte der Stern seine maximale Helligkeit, bevor er dunkler wurde. (Von links nach rechts) das Originalbild, das aufgehellte Bild, das Differenzbild und das Restbild. Niikuraet al.

„Was mich an diesem Projekt interessierte, war der enorme Einfluss, den es auf die Aufdeckung der Natur der Dunklen Materie haben würde“, sagt Niikura. "Die Entdeckung von urzeitlichen Schwarzen Löchern wäre eine historische Errungenschaft. Selbst ein negatives Ergebnis wäre wertvolle Informationen für Forscher, die das Szenario der Entstehung des Universums zusammenstellen."

Um nach Schwarzen Löchern zu suchen, nutzte das Team den Gravitationslinseneffekt. Gravitationslinsen wurden zuerst von Albert Einstein erklärt, der sagte, es sei möglich, dass ein Bild eines entfernten Objekts, wie eines Sterns, aufgrund der Gravitationswirkung eines massiven Objekts zwischen dem Stern und der Erde verzerrt wird. Die Schwerkraft des massiven Objekts könnte wie eine Lupe wirken, das Licht des Sterns biegen und es für menschliche Beobachter auf der Erde heller oder verzerrt erscheinen lassen.

Da sich ein Stern, ein Schwarzes Loch und die Erde ständig im interstellaren Raum bewegen, würde ein Stern allmählich heller und dann für Beobachter auf der Erde dunkler, wenn er sich über die Bahn einer Gravitationslinse bewegt. So nahmen die Forscher dank der Digitalkamera Hyper Suprime-Cam des Subaru-Teleskops auf Hawaii 190 aufeinanderfolgende Bilder der gesamten Andromeda-Galaxie auf. Besteht dunkle Materie aus urzeitlichen Schwarzen Löchern und in diesem Fall aus solchen, die leichter als der Mond sind, erwarteten die Forscher 1.000 Gravitations-Mikrolinsen. Sie berechneten diese Schätzung, indem sie annahmen, dass die Dunkle Materie im Halo der gesamten Galaxie aus primordialen Schwarzen Löchern besteht, und die Anzahl der Sterne in der Andromeda-Galaxie, die von einem primordialen Schwarzen Loch beeinflusst werden könnten, und schließlich die Chancen ihrer Ausrüstung berücksichtigten Aufnahme eines Gravitations-Mikrolinsen-Ereignisses.

Das Teleskop fotografierte 90 Millionen Sterne. Es dauerte zwei Jahre, bis das Team alle Rausch- und Nichtgravitationslinsenereignisse aus den Daten herausfilterte. Am Ende konnten sie nur einen Stern identifizieren, der heller und dann abgedunkelt wurde – was auf ein mögliches ursprüngliches Schwarzes Loch hindeutet – was bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass sie vollständig aus dunkler Materie bestehen.


Inhalt

Supermassive Schwarze Löcher werden klassisch als Schwarze Löcher mit einer Masse von über 0,1 Millionen bis 1 Million M definiert . [9] Einige Astronomen haben begonnen, Schwarze Löcher von mindestens 10 Milliarden M . zu kennzeichnen als ultramassive Schwarze Löcher. [10] [11] Die meisten davon (wie TON 618) sind mit außergewöhnlich energiereichen Quasaren verbunden. Noch größere wurden als staunend große Schwarze Löcher (SLAB) mit Massen von mehr als 100 Milliarden M . bezeichnet . [12] Obwohl sie feststellten, dass es derzeit keine Beweise dafür gibt, dass unglaublich große Schwarze Löcher real sind, stellten sie fest, dass supermassive Schwarze Löcher fast dieser Größe existieren. [13] Einige Studien haben vorgeschlagen, dass die maximale Masse, die ein Schwarzes Loch erreichen kann, obwohl es leuchtende Akkretoren ist, in der Größenordnung von liegt

Supermassive Schwarze Löcher haben physikalische Eigenschaften, die sie deutlich von masseärmeren Klassifikationen unterscheiden. Erstens sind die Gezeitenkräfte in der Nähe des Ereignishorizonts für supermassereiche Schwarze Löcher deutlich schwächer. Die Gezeitenkraft auf einen Körper am Ereignishorizont ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse: [16] eine Person auf der Erdoberfläche und eine am Ereignishorizont von 10 Millionen M Schwarze Löcher erfahren etwa die gleiche Gezeitenkraft zwischen Kopf und Füßen. Anders als bei Schwarzen Löchern mit stellarer Masse würde man bis sehr tief in das Schwarze Loch keine signifikante Gezeitenkraft erfahren. [17] Darüber hinaus ist es etwas kontraintuitiv zu bemerken, dass die durchschnittliche Dichte eines SMBH innerhalb seines Ereignishorizonts (definiert als die Masse des Schwarzen Lochs geteilt durch das Raumvolumen innerhalb seines Schwarzschildradius) geringer sein kann als die Dichte von Wasser. [18] Dies liegt daran, dass der Schwarzschild-Radius direkt proportional zu seiner Masse ist. Da das Volumen eines kugelförmigen Objekts (wie der Ereignishorizont eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs) direkt proportional zur Kubik des Radius ist, ist die Dichte eines Schwarzen Lochs umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse und damit höher, Masse Schwarze Löcher haben eine geringere durchschnittliche Dichte. [19]

Der Radius des Ereignishorizonts eines supermassiven Schwarzen Lochs von

1 Milliarde M ist vergleichbar mit der großen Halbachse der Umlaufbahn des Planeten Uranus. [20] [21]

Die Geschichte, wie supermassereiche Schwarze Löcher gefunden wurden, begann 1963 mit der Untersuchung der Radioquelle 3C 273 durch Maarten Schmidt. Ursprünglich dachte man, es sei ein Stern, aber das Spektrum erwies sich als rätselhaft. Es wurde festgestellt, dass es sich um rotverschobene Wasserstoffemissionslinien handelt, die darauf hindeuten, dass sich das Objekt von der Erde entfernt. [22] Das Hubble-Gesetz zeigte, dass sich das Objekt mehrere Milliarden Lichtjahre entfernt befindet und daher das Energieäquivalent von Hunderten von Galaxien emittieren muss. Die Lichtänderungsrate der Quelle, die als quasi-stellares Objekt oder Quasar bezeichnet wird, deutete darauf hin, dass die emittierende Region einen Durchmesser von einem Parsec oder weniger hatte. Bis 1964 wurden vier solcher Quellen identifiziert. [23]

1963 schlugen Fred Hoyle und W. A. ​​Fowler die Existenz von Wasserstoff brennenden supermassiven Sternen (SMS) als Erklärung für die kompakten Abmessungen und die hohe Energieabgabe von Quasaren vor. Diese hätten eine Masse von ca. 10 5 – 10 9 M . Richard Feynman stellte jedoch fest, dass Sterne über einer bestimmten kritischen Masse dynamisch instabil sind und zu einem Schwarzen Loch kollabieren würden, zumindest wenn sie sich nicht drehen würden. [24] Fowler schlug dann vor, dass diese supermassiven Sterne eine Reihe von Kollaps- und Explosionsschwingungen durchlaufen würden, was das Energieabgabemuster erklärt. Appenzeller und Fricke (1972) bauten Modelle dieses Verhaltens, stellten jedoch fest, dass der resultierende Stern immer noch kollabieren würde, und schlussfolgerten, dass ein nicht rotierender 0,75 × 10 6 M SMS "kann dem Kollaps zu einem Schwarzen Loch nicht entkommen, indem es seinen Wasserstoff durch den CNO-Zyklus verbrennt". [25]

Edwin E. Salpeter und Yakov Zeldovich machten 1964 den Vorschlag, dass Materie, die auf ein massives kompaktes Objekt fällt, die Eigenschaften von Quasaren erklären würde. Es würde eine Masse von etwa 10 8 M . erfordern um die Ausgabe dieser Objekte anzupassen. Donald Lynden-Bell bemerkte 1969, dass das einfallende Gas eine flache Scheibe bilden würde, die sich spiralförmig in den zentralen "Schwarzschild-Schlund" windet. Er stellte fest, dass die relativ geringe Leistung der nahegelegenen galaktischen Kerne darauf hindeutete, dass es sich um alte, inaktive Quasare handelte. [26] Unterdessen schlugen Martin Ryle und Malcolm Longair 1967 vor, dass fast alle Quellen extragalaktischer Radioemission durch ein Modell erklärt werden könnten, bei dem Teilchen mit relativistischen Geschwindigkeiten aus Galaxien ausgestoßen werden, was bedeutet, dass sie sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. [27] Martin Ryle, Malcolm Longair und Peter Scheuer schlugen dann 1973 vor, dass der kompakte Zentralkern die ursprüngliche Energiequelle für diese relativistischen Jets sein könnte. [26]

Arthur M. Wolfe und Geoffrey Burbidge stellten 1970 fest, dass die große Geschwindigkeitsdispersion der Sterne in der Kernregion elliptischer Galaxien nur durch eine große Massenkonzentration am Kern erklärt werden kann, die größer ist als bei gewöhnlichen Sternen. Sie zeigten, dass das Verhalten durch ein massives Schwarzes Loch mit bis zu 10 10 M . erklärt werden kann , oder eine große Anzahl kleinerer schwarzer Löcher mit Massen unter 10 3 M . [28] 1978 wurden im Kern der aktiven elliptischen Galaxie Messier 87 dynamische Beweise für ein massereiches dunkles Objekt gefunden, das ursprünglich auf 5 × 10 9 geschätzt wurde M . [29] Die Entdeckung eines ähnlichen Verhaltens in anderen Galaxien folgte bald, einschließlich der Andromeda-Galaxie im Jahr 1984 und der Sombrero-Galaxie im Jahr 1988. [4]

Donald Lynden-Bell und Martin Rees stellten 1971 die Hypothese auf, dass das Zentrum der Milchstraße ein massereiches Schwarzes Loch enthalten würde. [30] Schütze A* wurde am 13. und 15. Februar 1974 von den Astronomen Bruce Balick und Robert Brown mit dem Green Bank Interferometer des National Radio Astronomy Observatory entdeckt und benannt. [31] Sie entdeckten eine Radioquelle, die Synchrotronstrahlung aussendet, die aufgrund ihrer Gravitation dicht und unbeweglich ist. Dies war somit der erste Hinweis darauf, dass im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch existiert.

Das 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop lieferte die erforderliche Auflösung, um verfeinerte Beobachtungen galaktischer Kerne durchzuführen. 1994 wurde der Faint Object Spectrograph auf dem Hubble verwendet, um Messier 87 zu beobachten, wobei festgestellt wurde, dass ionisiertes Gas den zentralen Teil des Kerns mit einer Geschwindigkeit von ±500 km/s umkreiste. Die Daten zeigten eine konzentrierte Masse von (2,4 ± 0,7) × 10 9 M lag innerhalb einer Spanne von 0,25″ und lieferte starke Beweise für ein supermassereiches Schwarzes Loch. [32] Unter Verwendung des Very Long Baseline Array zur Beobachtung von Messier 106 haben Miyoshi et al. (1995) konnten zeigen, dass die Emission einer H2O-Maser in dieser Galaxie stammt von einer Gasscheibe im Kern, die eine konzentrierte Masse von 3,6 × 10 7 . umkreist M , die auf einen Radius von 0,13 Parsec beschränkt war. Ihre bahnbrechende Forschung stellte fest, dass ein Schwarm schwarzer Löcher mit Sonnenmasse in einem so kleinen Radius nicht lange ohne Kollisionen überleben würde, was ein supermassives Schwarzes Loch zum einzigen brauchbaren Kandidaten macht. [33] Begleitet wurde diese Beobachtung, die die erste Bestätigung supermassereicher Schwarzer Löcher lieferte, durch die Entdeckung [34] der stark verbreiterten, ionisierten Eisen-Kα-Emissionslinie (6,4 keV) aus der Galaxie MCG-6-30-15. Die Verbreiterung war auf die gravitative Rotverschiebung des Lichts zurückzuführen, als es aus nur 3 bis 10 Schwarzschildradien aus dem Schwarzen Loch entkam.

Am 10. April 2019 veröffentlichte die Event-Horizon-Teleskop-Kollaboration das erste horizontale Bild eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87. [2]

Im Februar 2020 berichteten Astronomen, dass ein Hohlraum im Ophiuchus-Superhaufen, der von einem supermassereichen Schwarzen Loch stammt, das Ergebnis der größten bekannten Explosion im Universum seit dem Urknall ist. [35] [36] [37]

Im März 2020 schlugen Astronomen vor, dass zusätzliche Unterringe den Photonenring bilden sollten, und schlugen eine Möglichkeit vor, diese Signaturen im ersten Bild eines Schwarzen Lochs besser zu erkennen. [38] [39] [40]

Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher bleibt ein offenes Forschungsgebiet. Astrophysiker sind sich einig, dass Schwarze Löcher durch Anlagerung von Materie und durch Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern wachsen können. [41] [42] Es gibt mehrere Hypothesen für die Entstehungsmechanismen und Anfangsmassen der Vorläufer oder "Samen" supermassereicher Schwarzer Löcher.

Eine Hypothese ist, dass die Samen schwarze Löcher von Dutzenden oder vielleicht Hunderten von Sonnenmassen sind, die von den Explosionen massereicher Sterne zurückgelassen werden und durch Anlagerung von Materie wachsen. Ein anderes Modell stellt die Hypothese auf, dass vor den ersten Sternen große Gaswolken zu einem "Quasi-Stern" kollabieren könnten, der wiederum in ein Schwarzes Loch von etwa 20 M kollabieren würde . [43] Diese Sterne könnten auch durch Halos aus dunkler Materie entstanden sein, die durch die Schwerkraft enorme Gasmengen anziehen, die dann supermassereiche Sterne mit Zehntausenden Sonnenmassen erzeugen würden. [44] [45] Der "Quasi-Stern" wird aufgrund der Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren in seinem Kern instabil gegenüber radialen Störungen und könnte ohne eine Supernova-Explosion direkt in ein Schwarzes Loch kollabieren (das den größten Teil seiner Masse ausstoßen würde und die schwarzes Loch nicht so schnell wachsen). Ein alternatives Szenario sagt voraus, dass große hochrotverschobene Wolken aus metallfreiem Gas [46] bei Bestrahlung mit einem ausreichend intensiven Fluss von Lyman-Werner-Photonen [47] Abkühlung und Fragmentierung vermeiden können und somit aufgrund von Selbst als einzelnes Objekt kollabieren -Gravitation. [48] ​​[49] Der Kern des kollabierenden Objekts erreicht extrem hohe Werte der Materiedichte, in der Größenordnung von ∼ 10 7 g / cm 3 g/cm^<3>> , und löst eine allgemeine relativistische Instabilität aus. [50] Somit kollabiert das Objekt direkt zu einem Schwarzen Loch, ohne die Zwischenphase eines Sterns oder Quasi-Sterns zu verlassen. Diese Objekte haben eine typische Masse von

Ein anderes Modell beinhaltet einen dichten Sternhaufen, der einen Kernkollaps erleidet, da die negative Wärmekapazität des Systems die Geschwindigkeitsdispersion im Kern auf relativistische Geschwindigkeiten treibt. [54] [55] Schließlich könnten urzeitliche Schwarze Löcher in den ersten Momenten nach dem Urknall direkt durch äußeren Druck erzeugt worden sein. Diese urzeitlichen Schwarzen Löcher hätten dann mehr Zeit als jedes der oben genannten Modelle, um sich zu akkretieren, was ihnen genügend Zeit lässt, um supermassive Größen zu erreichen. Die Entstehung von Schwarzen Löchern durch das Absterben der ersten Sterne wurde ausführlich untersucht und durch Beobachtungen bestätigt. Die anderen oben aufgeführten Modelle für die Bildung von Schwarzen Löchern sind theoretisch.

Unabhängig vom spezifischen Bildungskanal für den Schwarzen-Loch-Samen könnte er bei ausreichender Masse in der Nähe zu einem Schwarzen Loch mittlerer Masse und möglicherweise zu einem SMBH akkretieren, wenn die Akkretionsrate anhält. [43]

Die Bildung eines supermassiven Schwarzen Lochs erfordert ein relativ kleines Volumen hochdichter Materie mit kleinem Drehimpuls. Normalerweise beinhaltet der Akkretionsprozess den Transport eines großen anfänglichen Drehimpulses nach außen, und dies scheint der limitierende Faktor beim Wachstum Schwarzer Löcher zu sein. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Theorie der Akkretionsscheiben. Gasakkretion ist die effizienteste und auch auffälligste Art, wie Schwarze Löcher wachsen. Es wird angenommen, dass der Großteil des Massenwachstums supermassereicher Schwarzer Löcher durch Episoden schneller Gasakkretion erfolgt, die als aktive galaktische Kerne oder Quasare beobachtet werden können. Beobachtungen zeigen, dass Quasare viel häufiger waren, als das Universum jünger war, was darauf hindeutet, dass supermassereiche Schwarze Löcher früh entstanden und wuchsen. Ein wichtiger einschränkender Faktor für Theorien über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher ist die Beobachtung entfernter leuchtender Quasare, die darauf hinweisen, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen bereits gebildet hatten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Dies deutet darauf hin, dass supermassereiche Schwarze Löcher sehr früh im Universum entstanden sind, in den ersten massereichen Galaxien.

In der beobachteten Massenverteilung von Schwarzen Löchern existiert eine Leerstelle. Schwarze Löcher, die aus sterbenden Sternen hervorgehen, haben eine Masse von 5–80 M . Das minimale supermassive Schwarze Loch hat ungefähr hunderttausend Sonnenmassen. Massenskalen zwischen diesen Bereichen werden als Schwarze Löcher mittlerer Masse bezeichnet. Eine solche Lücke deutet auf einen anderen Entstehungsprozess hin. Einige Modelle [57] legen jedoch nahe, dass ultraluminöse Röntgenquellen (ULXs) Schwarze Löcher aus dieser fehlenden Gruppe sein könnten.

Es gibt eine Obergrenze dafür, wie große supermassereiche Schwarze Löcher wachsen können. Sogenannte ultramassive Schwarze Löcher (UMBHs), die mit 10 Milliarden Sonnenmassen oder mehr mindestens zehnmal so groß sind wie die meisten supermassiven Schwarzen Löcher, scheinen eine theoretische Obergrenze von etwa 50 Milliarden Sonnenmassen zu haben, wie alles darüber verlangsamt das Wachstum bis zu einem Kriechgang (die Verlangsamung beginnt bei etwa 10 Milliarden Sonnenmassen) und bewirkt, dass die instabile Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt, zu Sternen zusammenwächst, die es umkreisen. [58] [59] [60] [61]

Entfernte supermassereiche Schwarze Löcher wie J0313-1806, [62] und ULAS J1342+0928, [63] sind so kurz nach dem Urknall schwer zu erklären. Einige postulieren, dass sie vom direkten Kollaps dunkler Materie mit Selbstinteraktion herrühren könnten. [64] [65] [66] Eine kleine Minderheit von Quellen argumentiert, dass sie ein Beweis dafür sein könnten, dass unser Universum das Ergebnis eines Big Bounce anstelle eines Urknalls ist, wobei diese supermassiven Schwarzen Löcher vor dem Big Bounce gebildet wurden. [67] [68]

Es wird angenommen, dass die Gravitation von supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum vieler Galaxien aktive Objekte wie Seyfert-Galaxien und Quasare antreibt, und die Beziehung zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der Masse der Wirtsgalaxie hängt vom Galaxientyp ab. [69] [70]

Als aktiver galaktischer Kern (AGN) wird heute ein galaktischer Kern angesehen, der ein massereiches Schwarzes Loch beherbergt, das Materie ansammelt und eine ausreichend starke Leuchtkraft aufweist. Der Kernregion der Milchstraße beispielsweise fehlt es an ausreichender Leuchtkraft, um diese Bedingung zu erfüllen. Das vereinheitlichte Modell der AGN ist das Konzept, dass die große Bandbreite der beobachteten Eigenschaften der AGN-Taxonomie mit nur wenigen physikalischen Parametern erklärt werden kann. Für das Ausgangsmodell setzten sich diese Werte aus dem Winkel des Torus der Akkretionsscheibe zur Sichtlinie und der Leuchtkraft der Quelle zusammen. AGN kann in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: eine Strahlungsmode AGN, bei der der größte Teil der Leistung in Form von elektromagnetischer Strahlung durch eine optisch dicke Akkretionsscheibe erfolgt, und eine Jetmode, bei der relativistische Jets senkrecht zur Scheibe austreten. [71]

Eine empirische Korrelation zwischen der Größe supermassereicher Schwarzer Löcher und der stellaren Geschwindigkeitsdispersion σ eines Galaxienwulstes [72] wird als M-Sigma-Beziehung bezeichnet.

Doppler-Messungen Bearbeiten

Einige der besten Beweise für das Vorhandensein von Schwarzen Löchern liefert der Doppler-Effekt, bei dem Licht von naher umlaufender Materie beim Rückzug rotverschoben und beim Vorrücken blauverschoben wird. Für Materie, die einem Schwarzen Loch sehr nahe ist, muss die Umlaufgeschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sein, so dass zurückweichende Materie im Vergleich zu vorrückender Materie sehr schwach erscheint, was bedeutet, dass Systeme mit intrinsisch symmetrischen Scheiben und Ringen ein stark asymmetrisches visuelles Erscheinungsbild erhalten. Dieser Effekt wurde in modernen computergenerierten Bildern wie dem hier vorgestellten Beispiel berücksichtigt, basierend auf einem plausiblen Modell [73] für das supermassereiche Schwarze Loch in Sgr A* im Zentrum unserer eigenen Galaxie. Die Auflösung der derzeit verfügbaren Teleskoptechnologie reicht jedoch noch nicht aus, um solche Vorhersagen direkt zu bestätigen.

Was in vielen Systemen bereits direkt beobachtet wurde, sind die niedrigeren nichtrelativistischen Geschwindigkeiten von Materie, die weiter außerhalb von vermuteten Schwarzen Löchern umkreist. Direkte Doppler-Messungen von Wassermasern, die die Kerne naher Galaxien umgeben, haben eine sehr schnelle Keplersche Bewegung ergeben, die nur mit einer hohen Materiekonzentration im Zentrum möglich ist. Derzeit sind die einzigen bekannten Objekte, die genügend Materie auf so kleinem Raum packen können, Schwarze Löcher oder Dinge, die sich innerhalb astrophysikalisch kurzer Zeiträume zu Schwarzen Löchern entwickeln. Bei weiter entfernten aktiven Galaxien kann die Breite breiter Spektrallinien genutzt werden, um das Gas zu untersuchen, das sich in der Nähe des Ereignishorizonts bewegt. Die Technik der Nachhallkartierung nutzt die Variabilität dieser Linien, um die Masse und möglicherweise den Spin des Schwarzen Lochs zu messen, das aktive Galaxien antreibt.

In der Milchstraße Bearbeiten

Astronomen sind zuversichtlich, dass die Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat, 26.000 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt, in einer Region namens Sagittarius A* [75], weil:

  • Der Stern S2 folgt einer elliptischen Umlaufbahn mit einer Periode von 15,2 Jahren und einem Perizentrum (nächster Abstand) von 17 Lichtstunden ( 1,8 × 10 13 m oder 120 AE) vom Zentrum des zentralen Objekts. [76]
  • Aus der Bewegung des Sterns S2 kann die Masse des Objekts auf 4,1 Millionen M . geschätzt werden , [77][78] oder etwa 8,2 × 10 36 kg.
  • Der Radius des zentralen Objekts muss kleiner als 17 Lichtstunden sein, da sonst S2 damit kollidieren würde. Beobachtungen des Sterns S14 [79] zeigen, dass der Radius nicht mehr als 6,25 Lichtstunden beträgt, etwa dem Durchmesser der Umlaufbahn von Uranus.
  • Kein bekanntes astronomisches Objekt außer einem Schwarzen Loch kann 4,1 Millionen M . enthalten in diesem Raumvolumen.

Infrarotbeobachtungen von heller Flare-Aktivität in der Nähe von Sagittarius A* zeigen eine Orbitalbewegung des Plasmas mit einer Periode von 45 ± 15 min bei einem Abstand von dem sechs- bis zehnfachen des Gravitationsradius des Kandidaten SMBH. Diese Emission stimmt mit einer zirkularisierten Umlaufbahn eines polarisierten "Hot Spots" auf einer Akkretionsscheibe in einem starken Magnetfeld überein. Die strahlende Materie kreist mit 30% der Lichtgeschwindigkeit knapp außerhalb der innersten stabilen Kreisbahn. [80]

Am 5. Januar 2015 berichtete die NASA von der Beobachtung eines 400-mal helleren Röntgenstrahls als üblich, einem Rekordbrecher, von Sagittarius A*. Das ungewöhnliche Ereignis könnte laut Astronomen durch das Auseinanderbrechen eines Asteroiden verursacht worden sein, der in das Schwarze Loch fällt, oder durch die Verschränkung von Magnetfeldlinien im Gas, das in Sagittarius A* strömt. [81]

Außerhalb der Milchstraße Bearbeiten

Eindeutige dynamische Beweise für supermassereiche Schwarze Löcher existieren nur in einer Handvoll Galaxien [83] dazu gehören die Milchstraße, die Galaxien der Lokalen Gruppe M31 und M32 und einige Galaxien jenseits der Lokalen Gruppe, z. NGC 4395. In diesen Galaxien steigt die mittlere quadratische (oder rms) Geschwindigkeit der Sterne oder des Gases proportional zu 1/r in der Nähe des Zentrums an, was auf eine zentrale Punktmasse hinweist. In allen anderen bisher beobachteten Galaxien sind die rms-Geschwindigkeiten flach oder sogar zum Zentrum hin fallend, was es unmöglich macht, mit Sicherheit zu sagen, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch vorhanden ist. [83] Dennoch wird allgemein akzeptiert, dass das Zentrum fast jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch enthält. [84] Der Grund für diese Annahme ist die M-Sigma-Beziehung, eine enge (geringe Streuung) Beziehung zwischen der Masse des Lochs in den etwa 10 Galaxien mit sicheren Nachweisen und der Geschwindigkeitsdispersion der Sterne in den Ausbuchtungen dieser Galaxien. [85] Diese Korrelation, obwohl sie nur auf einer Handvoll Galaxien basiert, deutet für viele Astronomen auf einen starken Zusammenhang zwischen der Entstehung des Schwarzen Lochs und der Galaxie selbst hin. [84]

Die nahe gelegene Andromeda-Galaxie, 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt, enthält ein (1,1– 2,3) × 10 8 (110–230 Millionen) M zentrales Schwarzes Loch, deutlich größer als das der Milchstraße. [86] Das größte supermassereiche Schwarze Loch in der Nähe der Milchstraße scheint das von Messier 87 (d. h. M87*) mit einer Masse von (6.4 ± 0.5) × 10 9 (ca. 6.4 Milliarden) M . zu sein in einer Entfernung von 53,5 Millionen Lichtjahren. [87] [88] Die überriesige elliptische Galaxie NGC 4889 in einer Entfernung von 336 Millionen Lichtjahren im Sternbild Coma Berenices enthält ein Schwarzes Loch mit einer Größe von 2,1 × 10 10 (21 Milliarden) M . [89]

Massen von Schwarzen Löchern in Quasaren können mit indirekten Methoden abgeschätzt werden, die mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Der Quasar TON 618 ist ein Beispiel für ein Objekt mit einem extrem großen Schwarzen Loch, geschätzt auf 6,6 × 10 10 (66 Milliarden) M . [90] Seine Rotverschiebung beträgt 2,219. Andere Beispiele für Quasare mit großen geschätzten Massen des Schwarzen Lochs sind der hyperluminöse Quasar APM 08279+5255 mit einer geschätzten Masse von 2,3 × 10 10 (23 Milliarden) M , und der Quasar S5 0014+81 mit einer Masse von 4.0 × 10 10 (40 Milliarden) M , oder das 10.000-fache der Masse des Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum der Milchstraße.

Einige Galaxien, wie die Galaxie 4C +37.11, scheinen in ihren Zentren zwei supermassereiche Schwarze Löcher zu haben, die ein Doppelsternsystem bilden. Wenn sie kollidierten, würde das Ereignis starke Gravitationswellen erzeugen. [91] Es wird angenommen, dass binäre supermassereiche Schwarze Löcher eine häufige Folge galaktischer Verschmelzungen sind. [92] Das binäre Paar in OJ 287, 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt, enthält das massereichste Schwarze Loch in einem Paar mit einer geschätzten Masse von 18 Milliarden M . [93] 2011 wurde in der Zwerggalaxie Henize 2-10 ein supermassives Schwarzes Loch entdeckt, das keine Ausbuchtung hat. Die genauen Auswirkungen dieser Entdeckung auf die Bildung von Schwarzen Löchern sind unbekannt, könnten aber darauf hinweisen, dass Schwarze Löcher vor der Ausbuchtung entstanden sind. [94]

Am 28. März 2011 wurde ein supermassereiches Schwarzes Loch gesehen, das einen mittelgroßen Stern zerriss. [95] Das ist die einzig wahrscheinliche Erklärung für die Beobachtungen an diesem Tag plötzlicher Röntgenstrahlung und die anschließenden Breitbandbeobachtungen. [96] [97] Die Quelle war zuvor ein inaktiver galaktischer Kern, und aus der Untersuchung des Ausbruchs wird geschätzt, dass der galaktische Kern ein SMBH mit einer Masse in der Größenordnung von einer Million Sonnenmassen ist. Es wird angenommen, dass dieses seltene Ereignis ein relativistischer Ausfluss (Material, das in einem Jet mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit emittiert wird) von einem durch die SMBH gezeitengestörten Stern ist. Es wird erwartet, dass ein erheblicher Bruchteil einer solaren Materialmasse auf dem SMBH akkretiert ist. Eine anschließende Langzeitbeobachtung wird es ermöglichen, diese Annahme zu bestätigen, wenn die Emission des Jets mit der erwarteten Geschwindigkeit für die Massenakkretion auf einem SMBH abklingt.

Im Jahr 2012 berichteten Astronomen von einer ungewöhnlich großen Masse von etwa 17 Milliarden M für das Schwarze Loch in der kompakten, linsenförmigen Galaxie NGC 1277, die 220 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Perseus liegt. Das vermeintliche Schwarze Loch hat ungefähr 59 Prozent der Masse des Bulges dieser linsenförmigen Galaxie (14 Prozent der gesamten stellaren Masse der Galaxie). [98] Eine andere Studie kam zu einem ganz anderen Ergebnis: Dieses Schwarze Loch ist nicht besonders übermassiv, es wird auf 2 bis 5 Milliarden M . geschätzt mit 5 Milliarden M der wahrscheinlichste Wert ist. [99] Am 28. Februar 2013 berichteten Astronomen in NGC 1365 über die Verwendung des NuSTAR-Satelliten, um die Drehung eines supermassereichen Schwarzen Lochs zum ersten Mal genau zu messen, und berichteten, dass sich der Ereignishorizont mit fast Lichtgeschwindigkeit drehte. [100] [101]

Im September 2014 zeigten Daten verschiedener Röntgenteleskope, dass die extrem kleine, dichte, ultrakompakte Zwerggalaxie M60-UCD1 in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch mit 20 Millionen Sonnenmasse beherbergt, das mehr als 10 % der Gesamtmasse der Galaxis. Die Entdeckung ist ziemlich überraschend, da das Schwarze Loch fünfmal massereicher ist als das Schwarze Loch der Milchstraße, obwohl die Galaxie weniger als fünftausendstel der Masse der Milchstraße hat.

Einige Galaxien haben keine supermassereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren. Obwohl die meisten Galaxien ohne supermassereiche Schwarze Löcher sehr kleine Zwerggalaxien sind, bleibt eine Entdeckung mysteriös: Die überriesige elliptische cD-Galaxie A2261-BCG enthält kein aktives supermassereiches Schwarzes Loch, obwohl die Galaxie eine der größten bekannten Galaxien ist zehnmal so groß und tausendmal so groß wie die Milchstraße. Da ein supermassives Schwarzes Loch nur während der Akkretion sichtbar ist, kann ein supermassives Schwarzes Loch fast unsichtbar sein, außer in seinen Auswirkungen auf Sternbahnen.

Im Dezember 2017 berichteten Astronomen über die Entdeckung des derzeit am weitesten entfernten Quasars, ULAS J1342+0928, der das am weitesten entfernte supermassive Schwarze Loch enthält, mit einer gemeldeten Rotverschiebung von z = 7,54, was die Rotverschiebung von 7 für den zuvor bekannten entferntesten Quasar übertraf ULAS J1120+0641. [103] [104] [105]

Im Februar 2021 veröffentlichten Astronomen zum ersten Mal ein sehr hochauflösendes Bild von 25.000 aktiven supermassiven Schwarzen Löchern, das vier Prozent der nördlichen Himmelshalbkugel abdeckt, basierend auf ultraniedrigen Radiowellenlängen, wie vom Low-Frequency Array . nachgewiesen (LOFAR) in Europa. [106]

Hawking-Strahlung ist Schwarzkörperstrahlung, die aufgrund von Quanteneffekten in der Nähe des Ereignishorizonts voraussichtlich von Schwarzen Löchern freigesetzt wird. Diese Strahlung reduziert die Masse und Energie von Schwarzen Löchern, wodurch sie schrumpfen und schließlich verschwinden. Wenn Schwarze Löcher durch Hawking-Strahlung verdampfen, entsteht ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 11 (100 Milliarden) M verdunstet in etwa 2×10 100 Jahren. [107] Für einige schwarze Monsterlöcher im Universum wird vorhergesagt, dass sie weiter bis auf vielleicht 10 14 M . wachsen werden beim Kollaps von Superhaufen von Galaxien. Auch diese würden sich über einen Zeitraum von bis zu 10 106 Jahren verflüchtigen. [108]


Frühestes bekanntes supermassives Schwarzes Loch ‘storm’ von Wissenschaftlern entdeckt

Ein supermassives Schwarzes Loch, 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, treibt das früheste bekannte Beispiel eines Titanensturms mit Windgeschwindigkeiten von 1,1 Millionen Meilen pro Stunde an.

Forscher des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile entdeckten 800 Millionen Jahre nach dem Urknall die vom Schwarzen Loch angetriebenen Winde.

Dieser Titanensturm ist ein verräterisches Zeichen dafür, dass diese riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien einen „tiefgreifenden Effekt“ auf das Wachstum von Galaxien aus dem frühen Universum haben, sagen Astronomen des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ).

Das Team sagt, dass dies das früheste bisher beobachtete Beispiel für diese Art von Sturm ist, der von einem schwarzen Loch ausgeht, das Millionen bis Milliarden Mal massereicher ist als die Sonne.

Ein supermassereiches Schwarzes Loch, 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, treibt das früheste bekannte Beispiel eines Titanensturms mit Windgeschwindigkeiten von 1,1 Millionen Meilen pro Stunde an

SUPERMASSIVE SCHWARZE LÖCHER SIND IM HERZEN VON GALAXIEN

Supermassereiche Schwarze Löcher sind Objekte im Herzen der meisten Galaxien.

Sie haben eine Masse von Millionen bis Milliarden Mal der Masse der Sonne und lassen nichts entweichen, nicht einmal Licht.

In der Milchstraße ist das supermassereiche Schwarze Loch als Sagittarius A* bekannt.

Es gibt auch eine Klasse von ultramassiven Schwarzen Löchern mit einer Masse von mindestens 10 Milliarden Mal der Masse des Sohnes.

Noch größere, mit der 100-Milliarden-fachen Sonnenmasse, wurden als stinkend große Schwarze Löcher bezeichnet.

Im Zentrum vieler großer Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch, von dem einige aktiver sind als andere.

Sie fanden heraus, dass die Masse des Schwarzen Lochs ungefähr proportional zur Masse der zentralen Region – oder Ausbuchtung – der Galaxie ist, in der es lebt.

‘Auf den ersten Blick mag dies offensichtlich erscheinen, aber es ist tatsächlich sehr seltsam,’ die Autoren der Studie und fügten hinzu, dass sich die Größen von Galaxien und Schwarzen Löchern um 10 Größenordnungen unterscheiden – mit Galaxien, die deutlich größer sind .

‘Aufgrund dieser proportionalen Beziehung zwischen den Massen zweier Objekte, die so unterschiedlich groß sind, glauben Astronomen, dass Galaxien und Schwarze Löcher durch eine Art physikalischer Wechselwirkung zusammengewachsen sind und sich gemeinsam entwickelt haben,&8217, schrieben sie.

Ein galaktischer Wind kann diese Art von physischer Wechselwirkung zwischen Schwarzen Löchern und Galaxien bereitstellen – wobei größere Winde das galaktische Wachstum beeinflussen.

Ein supermassereiches Schwarzes Loch schluckt eine große Menge Materie. Da sich diese Materie aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen beginnt, emittiert sie intensive Energie, die die umgebende Materie nach außen drücken kann. So entsteht der galaktische Wind.

‘Die Frage ist, wann galaktische Winde im Universum entstanden sind?’, sagt Takuma Izumi, der Hauptautor der Forschungsarbeit.

‘Dies ist eine wichtige Frage, weil sie mit einem wichtigen Problem in der Astronomie zusammenhängt: Wie haben sich Galaxien und supermassereiche Schwarze Löcher gemeinsam entwickelt?’

Mit dem Weitfeld des Subaru-Teleskops fanden sie vor mehr als 13 Milliarden Jahren mehr als 100 Galaxien mit supermassereichen Schwarzen Löchern im Universum.

Anschließend nutzte das Forschungsteam die hohe Empfindlichkeit von ALMA, um die Gasbewegung in den Wirtsgalaxien der Schwarzen Löcher zu untersuchen.

Forscher des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile entdeckten 800 Millionen Jahre nach dem Urknall die vom Schwarzen Loch angetriebenen Winde

WAS IST ALMA?

Tief in der chilenischen Wüste befindet sich das Atacama Large Millimeter Array, kurz ALMA, an einem der trockensten Orte der Erde.

In einer Höhe von 16.400 Fuß, etwa halb so hoch wie ein Jumbo-Jet und fast viermal so hoch wie Ben Nevis, mussten Arbeiter Sauerstofftanks tragen, um den Bau abzuschließen.

Es wurde im März 2013 in Betrieb genommen und ist das leistungsstärkste bodengestützte Teleskop der Welt.

Es ist auch das höchste der Welt und mit fast 1 Milliarde Pfund (1,2 Milliarden US-Dollar) eines der teuersten seiner Art.

ALMA beobachtete die Galaxie HSC J124353.93+010038.5 und fing Radiowellen ein, die von den Staub- und Kohlenstoffionen in der Galaxie emittiert wurden.

Eine detaillierte Analyse der ALMA-Daten ergab, dass sich in J1243+0100 oder 1,1 Millionen Meilen pro Stunde ein Hochgeschwindigkeits-Gasstrom mit 500 km pro Sekunde bewegt.

Dieser Gasstrom hat genug Energie, um das stellare Material in der Galaxie wegzudrücken und die Bildung von Sternen zu stoppen.

Es ist das älteste beobachtete Beispiel einer Galaxie mit einem riesigen Wind von galaktischer Größe. Der bisherige Rekordhalter war vor etwa 13 Milliarden Jahren eine Galaxie, daher verschiebt diese Beobachtung den Anfang um weitere 100 Millionen Jahre zurück.

Das Team maß auch die Bewegung des ruhigen Gases in J1243+0100 und schätzte die Masse der Ausbuchtung der Galaxie, basierend auf ihrem Gravitationsgleichgewicht, auf etwa das 30-Milliarden-fache der Masse der Sonne.

Die Masse des supermassiven Schwarzen Lochs der Galaxie, die mit einer anderen Methode geschätzt wurde, betrug etwa 1 Prozent davon, was darauf hindeutet, dass die neue Methode genauer sein könnte.

Das Massenverhältnis der Ausbuchtung zum supermassiven Schwarzen Loch in dieser Galaxie ist fast identisch mit dem Massenverhältnis von Schwarzen Löchern zu Galaxien im modernen Universum.

Dieser Titanensturm ist ein verräterisches Zeichen dafür, dass diese riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien einen „tiefgreifenden Effekt“ auf das Wachstum von Galaxien aus dem frühen Universum haben, sagen Astronomen des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ).

Dies impliziert, dass die Koevolution von supermassereichen Schwarzen Löchern und Galaxien weniger als eine Milliarde Jahre nach der Geburt des Universums stattfindet.

‘Unsere Beobachtungen stützen jüngste hochpräzise Computersimulationen, die vorhergesagt haben, dass koevolutionäre Beziehungen schon vor etwa 13 Milliarden Jahren existierten,’, kommentiert Izumi.

‘Wir planen, in Zukunft eine große Anzahl solcher Objekte zu beobachten, und hoffen, klären zu können, ob die in diesem Objekt beobachtete ursprüngliche Koevolution ein genaues Bild des damaligen allgemeinen Universums ist.’

Die Ergebnisse wurden im Astrophysical Journal veröffentlicht.

SCHWARZE LÖCHER HABEN EINEN GRAVITATIONSZUG, SO STARK KANN NICHT AUCH LICHT ENTKOMMEN

Schwarze Löcher sind so dicht und ihre Anziehungskraft ist so stark, dass ihnen keine Strahlung entweichen kann – nicht einmal Licht.

Sie wirken als starke Gravitationsquellen, die Staub und Gas um sie herum aufsaugen. Es wird angenommen, dass ihre starke Anziehungskraft das ist, was Sterne in Galaxien umkreisen.

Wie sie entstehen, ist noch wenig verstanden. Astronomen glauben, dass sie sich bilden können, wenn eine große Gaswolke, die bis zu 100.000 Mal größer ist als die Sonne, zu einem schwarzen Loch zusammenbricht.

Viele dieser Schwarzen-Loch-Samen verschmelzen dann zu viel größeren supermassereichen Schwarzen Löchern, die sich im Zentrum jeder bekannten massereichen Galaxie befinden.

Alternativ könnte ein supermassives Schwarzes Loch von einem riesigen Stern stammen, der etwa das 100-fache der Sonnenmasse hat und sich schließlich zu einem Schwarzen Loch formt, nachdem ihm der Treibstoff ausgeht und er kollabiert.

Wenn diese Riesensterne sterben, gehen sie auch zur ‘Supernova’, eine riesige Explosion, die die Materie aus den äußeren Schichten des Sterns in den tiefen Weltraum ausstößt.


Ein kurzes Fenster

Es gab nur einen kurzen Zeitraum - etwa 1 Sekunde - nach dem Urknall, als sich urzeitliche Schwarze Löcher gebildet haben könnten. Aber in der extremen Welt unseres expandierenden frühen Universums kann in nur einer Sekunde viel passieren. Und je später sich in diesem Zeitfenster die ursprünglichen Schwarzen Löcher bildeten, desto massereicher wären sie. Abhängig davon, wann sie sich genau gebildet haben, könnten urzeitliche Schwarze Löcher eine Masse von nur 10-7 Unzen (10-5 Gramm) oder 100.000-mal weniger als eine Büroklammer haben, bis zu etwa 100.000-mal größer als die Sonne. Die Idee solcher winzigen Schwarzen Löcher faszinierte den Astrophysiker Stephen Hawking, der ihre quantenmechanischen Eigenschaften erforschte. Diese Arbeit führte 1974 zu seiner Entdeckung, dass Schwarze Löcher mit der Zeit verdampfen können. Und während Hawking letztendlich erkannte, dass ein großes Schwarzes Loch in längerer Zeit verdampfen würde, als es das Universum bisher gegeben hat, könnten kleine Schwarze Löcher je nach ihrer Masse tatsächlich verdampft sein oder tun dies derzeit. Hawking berechnete, dass jedes urzeitliche Schwarze Loch mit einer Masse von mehr als 1012 Pfund ([1012 Kilogramm], die weit weniger als die Masse jedes Planeten, Zwergplaneten und der meisten benannten Asteroiden und Kometen in unserem Sonnensystem ist) heute noch existieren könnte, während die weniger massiven wären bereits verschwunden.Und je nach ihrer Masse (die, wie Sie sich erinnern, davon abhängt, wann sie entstanden sind) könnten alle heute noch verbliebenen primordialen Schwarzen Löcher einige der herausragenden Probleme der Astronomie erklären.


Mikrolinsen-Ereignisse

Astronomen haben diese Art von „Mikrolinsen“-Ereignissen jedoch nicht beobachtet. Das schließt die Existenz von primordialen Schwarzen Löchern nicht aus, aber es setzt der Anzahl der Schwarzen Löcher wichtige Grenzen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist, wie viele Schwarze Löcher stellaren Ursprungs es geben sollte. Dies hängt davon ab, wie oft sie sich im Laufe der Geschichte des Universums gebildet haben müssen. Wiederum gibt es zahlreiche Theorien, wie dies in Sternhaufen, in Gaswolken und so weiter passiert sein könnte.

Für Astronomen, die den Datensatz von Kollisionen Schwarzer Löcher untersuchen, besteht das Ziel darin, all diese konkurrierenden Faktoren zu berücksichtigen, um zu sehen, welche Theorien und Einschränkungen mit den Daten übereinstimmen und welche nicht. Das erweist sich als schwierige Aufgabe, aber die neueste Studie hat es geschafft.

Diese Studie verwendet eine leistungsstarke statistische Technik namens Bayes'sche Analyse. Es berücksichtigt eine breite Palette von Theorien darüber, wie Schwarze Löcher stellaren Ursprungs zu einer Population ursprünglicher Schwarzer Löcher aus dem frühen Universum hinzugefügt hätten.

Auf diese Weise kann gezeigt werden, dass Schwarze Löcher so häufig vorkommen, dass die Sternbildung nicht alle erklären kann. Es muss also auch eine signifikante Population von urzeitlichen Schwarzen Löchern geben. „Der Nachweis einer Urpopulation wird gegenüber der Nullhypothese entscheidend begünstigt“, so das Team.

Das ist ein interessantes Ergebnis, nicht zuletzt, weil urzeitliche Schwarze Löcher möglicherweise ein weiteres wichtiges Rätsel lösen können. Dies bedeutet, dass das Universum mit dunkler Materie gefüllt zu sein scheint, die wir nicht sehen können, aber dennoch eine Anziehungskraft auf das Zeug hat, das wir sehen können.

Niemand weiß, woraus dunkle Materie besteht, aber eine Theorie besagt, dass urzeitliche Schwarze Löcher für diese Masse verantwortlich sein könnten. Die neuen Beweise, dass urzeitliche Schwarze Löcher existieren, werden Astrophysikern bei der Suche nach Kandidaten für dunkle Materie helfen, ihre Suche zu schärfen.

Die Argumentation für primordiale Schwarze Löcher ist jedoch noch nicht abgeschlossen. „Unsere Ergebnisse legen die verlockende Möglichkeit nahe, dass LIGO/Virgo möglicherweise bereits schwarze Löcher entdeckt hat, die sich nach der Inflation gebildet haben“, sagt das Team.

Es mag verlockend sein, aber noch nicht sicher. Astrophysiker werden mehr Daten brauchen, um sicher zu sein, und dafür müssen sie auf die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren warten, die derzeit entwickelt werden.


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