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Abb. 1: Eine schematische Darstellung der Masse der
schwarzen Löcher und der sie umgebenden Spheroide, wie sie im lokalen
Universum beobachtet wird. Dank: NASA and A. Feild (STScI)
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Abb. 2: Die obere Graphik zeigt die Entwicklung der stellaren Massendichte
(durchgezogene Linie mit dunkelrot schattiertem Gebiet) als
Funktion der Rotverschiebung, z (wobei z=0 der heutigen Zeit und z=3
ungefähr einer Zeit vor 10 Milliarden Jahren entspricht). Die Dichte wird im
Verhältnis zum jetzigen Wert angegeben. Die vorhergesagte
stellare Massendichte wurde mit Hilfe der Entwicklung der Massendichte in
schwarzen Löchern berechnet. Zusätzlich wird die relative Aufteilung der
Gesamtmassendichte der Sterne in Spheroids (gestrichelt, orange schattiert)
und Scheiben- sowie irreguläre Galaxien gezeigt (gepunktet, hell-orange
schattiert). Dies zeigt, daß die stellare Masse in Galaxien fast gleich
zwischen dem Bulge und Scheiben-/irregulären Galaxien in der Vergangenheit
aufgeteilt war, jedoch in der Gegenwart durch Bulge dominiert wird. Die
untere Graphik zeigt die Entwicklung der Sternentstehungsrate (durchgezogene
Linie mit dunkelblau schattiertem Gebiet) und die entsprechende
Akretionsratendichte der schwarzen Löcher (punkt-gestrichelt) umskaliert mit
einem Faktor von ungefähr Tausend. Seit z=2, wuchsen schwarze Löcher
langsamer als die Masse in der Sternpopulation, wie durch die
punkt-gestrichelte Linie gezeigt wird, die schnell in Richtung z=0 abnimmt.
Die Datenpunkte sind eine Sammlung von allen erhältlichen Messungen der
stellaren Gesamtmassendichte (obere Graphik) und der Dichte der
Sternentstehungsrate (untere Graphik) im Universum als Funktion der Zeit.
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Schwarze Löcher mit den Massen von einigen Millionen bis hin zu einer
Milliarde Sonnenmassen befinden sich in den Zentren naher
Galaxien. Noch bemerkenswerter sind neueste Beobachtungen, welche
zeigen, daß die Masse des zentralen schwarzen Loches eng mit der
Gesamtmasse (und damit der Leuchtkraft) der Sterne korreliert, welche
sich in der zentralen spheroidalen Komponente von Galaxien befinden,
dem sogenannten Bulge. Je größer die Masse des schwarzen Loches, desto
größer ist der Bulge (siehe Abb. 1). Diese Entdeckungen implizieren,
daß die Bildung des galaktischen Spheroids (und der Galaxien selbst)
eng mit dem Wachstum des zentalen schwarzen Loches verknüpft sein muß,
wie neueste numerische Simulationen am Max Planck Institut für
Astrophysik in der Tat zeigen konnten (siehe Kollidierende
Galaxien wecken schlafende schwarze Löcher).
Im lokalen Universum machen schwarze Löcher einen festen
Bruchteil (ungefähr eins zu Tausend) der Masse der sie umgebenden
Galaxien aus, wie dies von der Korrelation zwischen schwarzem Loch und
Bulge aufgezeigt wird. Darüber hinaus weiß man, daß
sie heutzutage mit einer Rate wachsen (immer noch ein Faktor von
ungefähr eins zu Tausend), die proportional zur
Sternentstehungsrate ist (siehe Schwarze
Löcher mit geringer Masse wachsen heute immer noch). Aber
war dies auch in der Vergangenheit so?
Durch Beobachtungen von aktiven galaktischen Kernen (engl.: Active Galactic
Nuclei, AGN) und Quasaren (engl.: QSOs), welche die leistungsstärkste Klasse
von AGN darstellen, wissen wir, daß sich schwarze Löcher zu einer Zeit
entwickelten, als Galaxien noch im Aufbau begriffen waren. Dem Standardbild
zufolge wird der AGN durch die Freisetzung von gravitativer Bindungsenergie der
auf das supermassive schwarze Loch fallenden Materie versogt. Wenn man deshalb
die Strahlungsmenge mißt, die der AGN emittiert, gewinnt man Erkenntnisse
darüber, wie schnell schwarze Löcher wachsen. Andrea Merloni, Gregory Rudnick
und Tiziana Di Matteo (Max Planck Institut f\"ur Astrophysik)
haben die neuesten Informationen über die Evolution
der AGN Population über die kosmische Zeit zusammengetragen, und leiteten
daraus die Entwicklung des Massenwachstums der schwarzen Löcher in Galaxien ab.
Daraufhin haben sie diese mit allen vorhandenen Messungen der gesamten
stellaren Masse in Galaxien sowie ihrer Entstehungsrate seit frühester
kosmischer Zeit (vor ungefähr 10 Milliarden Jahren) bis heute verglichen.
Abbildung 2 illustriert die erhaltenen Resultate in den Einzelheiten. Die obere
Graphik zeigt die Entwicklungsdaten der beobachteten stellaren Massendichte im
Universum (Gesamtmasse in Sternen pro Einheitsvolumen) als Funktion der Zeit,
zusammen mit der besten Näherung, welche von der bekannten Entwicklung der
Massendichte der schwarzen Löcher berechnet wurde. Die Vorhersage
(durchgezogene Linie) impliziert ein sich änderndes Verhältnis zwischen der
Masse schwarzer Löcher und der entsprechenden Masse im Galaxienspheroid. Die
untere Graphik zeigt die Entwicklung der Sternentstehungsrate und die
entsprechende Wachtumsrate der schwarzen Löcher (umskaliert mit einem Faktor
von ungefähr Tausend).
Diese Studie zeigt zum ersten Mal, daß die Korrelation zwischen der Masse
schwarzer Löcher und den Eigenschaften des galaktischen Spheroids, welche im
lokalen Universum beobachtet wird, sich mit der Zeit entwickelte und in der
Vergangenheit verschieden war. Schwarze Löcher und Bulges wachsen in der Tat
gleichzeitig, jedoch nicht mit derselben Rate. Die Wissenschaftler fanden
heraus, daß supermassive schwarze Löcher sich früher als der Bulge bildeten:
Vor 10 Milliarden Jahre waren sie ungefähr 1.7 mal größer als die sie umgebende
Spheroide, verglichen mit dem heutigen Verhältnis. Seit damals wuchsen die
schwarzen Löcher weniger verglichen mit der Wachstumsrate des sie umgebenden
Spheroids.
Diese Resultate, zusammen mit zukünftigen empfindlichen Beobachtungen weiter
entfernter Galaxien und Quasaren, wird es den Wissenschaftler ermöglichen
besser zu verstehen, wie die ersten Sterne und schwarzen Löcher im frühen
Universum entstanden.
Andrea Merloni
Weitere Informationen (auf Englisch):
A. Merloni, G. Rudnick & T. Di Matteo: Tracing the cosmological
assembly of stars and supermassive black holes in galaxies, MNRAS, 356, L1, 2004
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