Frühe schwarze Löcher wuchsen schnell auf

Illustration des frühen Universums. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Alles begann vor langer Zeit, als das Universum noch sehr jung war. Die frühesten massiven Zuchtsterne tummelten sich in ihrer Jugend – sie drehten sich und tummelten sich zwischen satten grünen Gräsern jungfräulicher Materie. Während der vorgesehenen Zeit kochten Kernmotoren ausgedehnte Ströme von heißem Wasserstoff und Heliumgas ab, was die interstellaren Medien bereicherte. Während dieser Phase bildeten sich supermassive Sternhaufen in kleinen Taschen in der Nähe von entstehenden galaktischen Kernen – jeder schwimmt in kleinen Regionen primordialer Mini-Halo-Materie.

Nach Abschluss ihres Zyklus explodierten die frühesten Zuchtsterne und spuckten schwere Atome aus. Bevor sich jedoch zu viel schwere Materie im Universum ansammelte, bildeten sich die frühesten Schwarzen Löcher, wuchsen schnell durch gegenseitige Assimilation und sammelten genug Gravitationseinfluss, um „Goldlöckchen“ -Gase mit präzisen Temperaturen und Zusammensetzungen in große, breite Akkretionsscheiben zu ziehen. Diese überkritische Wachstumsphase reifte die frühesten massiven Schwarzen Löcher (MBHs) schnell zum Status eines supermassiven Schwarzen Lochs (SMBH). Davon haben sich die frühesten Quasare in den verschmolzenen Mini-Halos zahlreicher Protogalaxien niedergelassen.

Dieses Bild der frühen Quasarbildung entstand aus einem kürzlich erschienenen Artikel (veröffentlicht am 2. Juni 2005) mit dem Titel „Rapid Growth of High Redshift Black Holes“, der von den Kosmologen Martin J. Rees und Marta Volonteri aus Cambridge, Großbritannien, verfasst wurde. Diese Studie befasst sich mit der Möglichkeit, dass sich nach der Zeit der universellen Transparenz, jedoch vor Gasen in den interstellaren Medien, die durch Sternstrahlung vollständig reionisiert und von Supernovae mit Schwermetallen besiedelt wurden, ein kurzes Fenster der schnellen SMBH-Bildung öffnete. Das Rees-Volonteri-Modell versucht, Fakten zu erklären, die aus dem SDSS-Datensatz (Sloan Digital Sky Survey) stammen. 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall hatten sich bereits viele hoch strahlende Quasare gebildet. Jeweils mit SMBHs mit einer Masse von mehr als 1 Milliarde Sonnen. Diese waren aus „Samen-Schwarzen Löchern“ entstanden – Gravitationsschlacken, die nach dem frühesten Zyklus des Zusammenbruchs von Supernovae zwischen den ersten massiven galaktischen Clustern zurückgeblieben waren. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war alles so gut wie vorbei. Wie konnte so viel Masse so schnell in so kleinen Regionen des Weltraums kondensieren?

Laut Volontari und Rees erfordert das Wachstum solcher Samen bis zu 1 Milliarde Sonnenmassen eine nahezu kontinuierliche Anreicherung von Gas… Gewichtszunahme". Die meisten Modelle des SMBH-Wachstums zeigen, dass etwa 30% der Masse, die auf ein mittleres (massives – nicht supermassives) Schwarzes Loch fällt, in Strahlung umgewandelt wird. Dies hat zwei Auswirkungen: Materie, die sonst das MBH speisen würde, geht durch Strahlung verloren, und der Strahlungsdruck nach außen unterdrückt den Marsch zusätzlicher Materie nach innen, um ein schnelles Wachstum zu fördern.

Der Schlüssel zum Verständnis der schnellen SMBH-Bildung liegt in der Möglichkeit, dass frühe Akkretionsscheiben um MBHs nicht so optisch dicht waren wie heute – sondern „fett“ mit dünn verteilter Materie. Unter solchen Bedingungen hat Strahlung einen breiteren mittleren freien Weg und kann über Scheiben hinaus entweichen, ohne die Bewegung der Materie nach innen zu behindern. Kraftstoff, der den gesamten SMBH-Wachstumsprozess antreibt, wird reichlich in den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs abgegeben. In der frühesten Epoche war die Art der Materie hauptsächlich einatomiger Wasserstoff und Helium – nicht die Art von schwermetallreichen Akkretionsscheiben einer späteren Ära. All dies deutet darauf hin, dass frühe MBHs in Eile aufgewachsen sind und letztendlich für die vielen voll ausgereiften Quasare verantwortlich sind, die im SDSS-Datensatz enthalten sind. Solche frühen MBHs müssen Massen-Energie-Umwandlungsverhältnisse gehabt haben, die für voll ausgereifte SMBHs typischer sind als die heutigen MBHs.

Volontari und Rees sagen, dass frühere Forscher gezeigt haben, dass voll entwickelte „Quasare eine Massenenergieumwandlungseffizienz von ungefähr 10% haben…“. Das Paar warnt jedoch davor, dass dieser Massenenergieumwandlungswert aus Studien von Quasaren aus einer späteren Zeit in Universal stammt Expansion und dass "nichts über die Strahlungseffizienz von pregalaktischen Quasaren im frühen Universum bekannt ist." Aus diesem Grund "trifft das Bild, das wir vom Universum mit niedriger Rotverschiebung haben, möglicherweise zu früheren Zeiten nicht zu." Offensichtlich war das frühe Universum dichter mit Materie gefüllt, diese Materie hatte eine höhere Temperatur und es gab ein höheres Verhältnis von Nichtmetallen zu Metallen. All diese Faktoren lassen darauf schließen, dass die Effizienz der Massenenergieumwandlung früher MBHs fast jedermanns Vermutung ist. Da wir jetzt erklären müssen, warum es unter frühen Quasaren so viele SMBHs gibt, ist es sinnvoll, dass Volontari und Rees das, was sie über die heutigen Akkretionsscheiben wissen, verwenden, um zu erklären, wie sich diese Scheiben in der Vergangenheit möglicherweise unterschieden.

Und es sind die frühesten Zeiten – vor der Strahlung zahlreicher Sterne, die Gase innerhalb der interstellaren Medien reionisierten -, die Bedingungen boten, die für eine schnelle SMBH-Bildung reif waren. Solche Bedingungen haben möglicherweise weniger als 100 Millionen Jahre gedauert und erforderten ein angemessenes Gleichgewicht in Bezug auf Temperatur, Dichte, Verteilung und Zusammensetzung der Materie im Universum.

Um ein vollständiges Bild zu erhalten (wie in der Zeitung dargestellt), beginnen wir mit der Idee, dass das frühe Universum von unzähligen Mini-Halos bevölkert wurde, die aus dunkler und baryonischer Materie mit hochmassiven, aber äußerst dichten Sternhaufen in ihrer Mitte bestehen. Aufgrund der Dichte dieser Cluster – und der Massivität der Sterne, aus denen sie bestehen – entwickelten sich Supernovae schnell, um zahlreiche „Samen-Schwarze Löcher“ hervorzubringen. Diese Samen-BHs verschmolzen zu massiven Schwarzen Löchern. In der Zwischenzeit brachten Gravitationskräfte und reale Bewegungen die verschiedenen Mini-Halos schnell zusammen. Dies erzeugte immer massivere Lichthöfe, die MBHs füttern konnten.

Im frühen Universum bestand die Materie um MBHs aus riesigen metallarmen Sphäroiden aus Wasserstoff und Helium mit einer durchschnittlichen Temperatur von 8.000 Grad Kelvin. Bei solch hohen Temperaturen bleiben Atome ionisiert. Aufgrund der Ionisation waren nur wenige Elektronen mit Atomen assoziiert, um als Photonenfallen zu wirken. Die Auswirkungen des Strahlungsdrucks nahmen bis zu dem Punkt ab, an dem Materie leichter in einen Ereignishorizont der Schwarzen Löcher fiel. Währenddessen streuen freie Elektronen selbst Licht. Ein Teil dieses Lichts strahlt tatsächlich zurück zur Akkretionsscheibe und eine andere Massequelle – in Form von Energie – speist das System. Schließlich bedeutet ein Mangel an Schwermetallen – wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff -, dass monotomische Atome heiß bleiben. Denn wenn die Temperaturen unter 4.000 Grad K fallen, entionisieren Atome und werden erneut einem Strahlungsdruck ausgesetzt, der den Fluss frischer Materie verringert, der in den BH-Ereignishorizont fällt. All diese rein physikalischen Eigenschaften drückten die Masse-Energie-Effizienz-Verhältnisse tendenziell nach unten, sodass MBHs schnell an Gewicht zunehmen konnten.

Während Mini-Halos verschmolzen, kondensierte heiße baryonische Materie zu riesigen „dicken“ Scheiben – nicht zu den dünnen Ringen, die heute um die SMBH herum zu sehen sind. Dies geschah, weil die Halo-Materie selbst die schnell wachsenden MBHs vollständig umgab. Diese kugelförmige Verteilung der Materie lieferte eine konstante Quelle für frische, heiße, jungfräuliche Materie, um die Akkretionsscheibe aus verschiedenen Winkeln zu versorgen. Dicke Scheiben bedeuteten größere Mengen an Materie bei geringerer optischer Dichte. Wieder einmal gelang es der Materie, zu vermeiden, dass sie vom drohenden Schlund des MBH nach außen „solar gesegelt“ wurde, und die Massenenergieumwandlungsverhältnisse sanken.

Beide Faktoren – Fettscheiben und ionisierte Atome mit geringer Masse – sagen, dass MBHs während des goldenen Zeitalters eines frühen grünen Universums schnell erwachsen wurden. Innerhalb einer Milliarde Jahre nach dem Urknall hatten sie sich in einer relativ ruhigen Reife niedergelassen, die Materie effizient in Licht umwandelte und dieses Licht über weite Bereiche von Zeit und Raum in ein sich möglicherweise ständig erweiterndes Universum warf.

Geschrieben von Jeff Barbour

Rate article
Schreibe einen Kommentar