Im Zentrum fast aller Galaxien sitzt ein Monster: ein Schwarzes Loch mit einer Masse von Millionen oder sogar Milliarden mal der Masse unserer Sonne. Wenn dichtes Gas in ein Schwarzes Loch fällt, heizt es sich auf und beginnt zu leuchten, genauso wie Wasser in einem Wasserfall beim Fallen an Energie gewinnt. Der so entstehende „Quasar“ (kurz für „quasi-stellares Objekt“) kann Millionen Jahre lang heller scheinen als eine ganze Galaxie (Abbildung 1), so dass Quasare zu den am weitesten entfernten Objekten gehören, die die Astronomen beobachten können. Weil ihr Licht auf seinem Weg zu uns eine sehr lange Zeit braucht, sind sie ausgezeichnete astronomische Werkzeuge, um die Vergangenheit des Universums zu untersuchen.

Beobachtungen der am weitesten entfernten Quasare zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher mit Milliarden von Sonnenmassen bereits existierten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Woher kamen diese monstermäßigen Schwarzen Löcher und wie konnten sie so schnell so viel Masse ansammeln?

Im Laufe der ersten Milliarde Jahre bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien. Nach dem Urknall dehnte sich das Universum aus und kühlte ab und Materieklumpen kollabierten durch ihre eigene Schwerkraft. Gas in diesen Klumpen bildete die ersten Sterne und dann die ersten Galaxien. Die Vorläufer der massereichen Schwarzen Löcher bildeten sich wahrscheinlich gleichzeitig mit den ersten Sternen und Galaxien, entweder bei der Explosion massereicher Sterne oder durch den direkten Gravitationskollaps riesiger Wolken aus heißem Wasserstoffgas. Die ersten Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien hätten - je nach Szenario - entweder einige Dutzend oder Hundert Sonnenmassen bzw. Zehntausende von Sonnenmassen gehabt.

Unabhängig von der Entstehungsgeschichte sind sich die Astrophysiker aber einig, dass die riesigen Schwarzen Löcher nur dann so schnell so massereich werden konnten, wenn die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der am weitesten entfernten Quasare den größten Teil ihrer Masse durch das Verschlucken großer Mengen Gas aus ihrer Umgebung in kurzer Zeit gewonnen haben. Dies würde bedeuten, dass das frühe Universum durchsetzt war von leistungsstarken Quasaren, die durch ihre schnell wachsenden Schwarzen Löcher angetrieben wurden. Die ersten Quasare (oder besser Mini-Quasare, da die Schwarzen Löcher noch nicht „super“-massereich waren), strahlten eine enorme Lichtmenge ab. Insbesondere emittierten sie viele Röntgenstrahlen. Diese sehr energiereiche Strahlung konnte leicht in den intergalaktischen Raum entkommen. Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Röntgenstrahlen von den ersten wachsenden Schwarzen Löchern in der Lage gewesen wären, das intergalaktische Gas im frühen Universum auf Tausende von Grad aufzuheizen. Dies ist deshalb ein entscheidender Punkt, weil Gas kühl und dicht sein muss, um nicht nur Sterne und Galaxien bilden zu können sondern auch das Wachstum der Schwarzen Löcher voranzutreiben.

Eine neue Studie, die von dem MPA-Wissenschaftler Takamitsu Tanaka geleitet wurde, hat nun untersucht, ob die "kosmische Erwärmung" durch das Wachstum der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher die Entwicklung der massereichen Schwarzen Löcher allgemein beeinflusst hat. Die Autoren verwendeten eine neue Methode, um die Entstehung und das Gas-getriebene Wachstum der frühesten massereichen Schwarzen Löcher zu simulieren. Dabei untersuchten sie auch die Produktion von Röntgenstrahlung, die daraus resultierende Erwärmung des Gases in einem expandierenden Universum und die Auswirkungen dieser kosmischen Erwärmung auf den Nachschub an kühlem, dichtem Gas für das weitere Wachstum der Schwarzen Löcher.

Diese Berechnungen zeigten zum ersten Mal, dass die Erwärmung des intergalaktischen Gases durch die ersten (Mini-)Quasare (Abb. 2) tatsächlich das Wachstum der Schwarzen Löcher in der Frühphase des Universums verlangsamt (Abb. 3). Ironischerweise sind die allerersten Schwarzen Löcher, die größtenteils für diese Erwärmung verantwortlich sind, am wenigsten davon betroffen. Bis sie das intergalaktische Gas deutlich erhitzt haben, sind ihre Galaxien auch größer und massereicher geworden. Diese massereichen Galaxien können das zentrale Gas auf immer noch relativ kühlen Temperaturen halten, selbst wenn sie dem heißen extragalaktischen Gas ausgesetzt sind. Außerdem kollidieren sie häufiger mit anderen massereichen Galaxien, was für Nachschub an kühlem Gas sorgen kann. Später entstandene Schwarze Löcher sitzen in weniger massereichen Galaxien und werden schließlich zu Opfern des kosmischen Klimawandels durch ihre älteren Geschwister.

Damit ist die kosmische Erwärmung des intergalaktischen Gas durch die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher in der Lage zu erklären, warum so wenige Schwarze Löcher auf Milliarden von Sonnenmassen angewachsen sind. Da diese Erwärmung auch die Entstehung von kleinen Galaxien unterdrückt, kann sie außerdem zu der Erklärung beitragen, warum Zwerggalaxien in unserem lokalen Universum selten sind.

Takamitsu Tanaka, Rosalba Perna, Zoltán Haiman

Referenzen:

Takamitsu Tanaka, Rosalba Perna, Zoltán Haiman, “X-ray emission from high-redshift miniquasars: self-regulating the population of massive black holes through global warming”, 2012, MNRAS, in press

Takamitsu Tanaka & Zoltán Haiman, “The Assembly of Supermassive Black Holes at High Redshifts”, 2009, ApJ, 696, 1798