Der Zusammenhang zwischen der Entstehung von riesigen schwarzen Löchern und Materieströmungen im frühen Universum

Die Herkunft von supermassereichen schwarzen Löchern in den Zentren großer Galaxien ist eines der großen ungelösten Fragen der Astrophysik. Kürzlich untersuchten Wissenschaftler am MPA, wie die Bewegungen zwischen gewöhnlicher und dunkler Materie im frühen Universum die Entstehung von supermassereichen schwarzen Löchern in den frühen Galaxien beeinflusst haben könnte.

Abb. 1: Künstlerische Darstellung, wie ein Quasar Materie aus seiner Umgebung verschluckt. Ein derartiges supermassereiches schwarzes Loch strahlt sehr hell und kann daher auch bei großen Entfernungen beobachtet werden.
Bildnachweis : ESO / UKIDSS / SDSS

Abb. 2: Diese schematische Darstellung veranschaulicht, wie sich die ersten Strukturen im Universium bilden, und zwar ohne (oben) und mit (unten) anfänglichen Materieströmungsbewegungen. Dunkle Materie ist durch graue Kreise symbolisiert, gewöhnliche Materie durch orange Punkte. Im Falle der Strömungsbewegung (Pfeile) zwischen der gewöhnlichen und der dunklen Materie bilden sich die Klumpen aus gewöhnlicher Materie weniger schnell, was zu einer Verzögerung bei der Bildung der ersten Sterne (blaue Symbole) führt.

Abb. 3: Das Diagramm links zeigt die theoretischen Häufigkeiten aller Galaxien (schwarze Linien) bzw. von Galaxien mit massereichen schwarzen Löchern (farbige Histogramme), als das Universum nur 90 Millionen Jahre alt war. Anfängliche Materieströmungsbewegungen könnten dazu beitragen, dass sich supermassereiche schwarze Löcher viel früher bilden als bisher angenommen. (Die unterschiedlichen Farben stehen für unterschiedliche Interpretationen von hochauflösenden Computer-Simulationen in Bezug auf die Effektivität, wie stark Materieströmungen die Sternentstehung verzögern.)
Analog dazu zeigt das Diagramm rechts die Galaxienhäufigkeiten zu einer späteren Zeit. Bezieht man Materieströmungen in das Szenario mit ein, so ist die Vorhersage für die Anzahl der massereichen schwarzen Löcher ungefähr im Einklang mit dem beobachteten Wert (ca. 10-9 pro Kubik-Megaparsec).

Ein supermassereiches schwarzes Loch, dessen Masse mehrere Millionen oder sogar Milliarden Mal größer ist als die Masse der Sonne, befindet sich in der Mitte einer jeden massereichen Galaxie. Diese werde Quasare genannt, sobald sie durch das Verschlingen von riesigen Gaswolken grosse Mengen an Strahlung erzeugen (Abbildung 1). Beobachtungen von Quasaren zeigen, dass diese etwa zur gleichen Zeit wie die ersten Sterne und Galaxien entstanden sind, im Laufe der ersten paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Die Herkunft dieser Schwerkraftmonster ist immer noch eines der großen ungelösten Probleme der Astrophysik (siehe linkPfeil.gifAktuelle Forschung Juli 2012).

Die ersten Sterne und Galaxien bildeten sich vor mehr als 13 Milliarden Jahren, als das Ur-Gas des Universums (hauptsächlich Wasserstoff und Helium) und die dunkle Materie im frühen Universum begannen, sich anzusammeln. In dieser dichten Umgebung bildete das Gas Wasserstoffmoleküle und kollabierte aufgrund seiner eigenen Schwerkraft - die ersten Sterne entstanden.

Die Astrophysiker gehen davon aus, dass sich die ersten übergroßen schwarzen Löcher kurz danach bildeten und zwar durch einen von zwei möglichen Prozessen. Zum einen könnten massereiche Sterne schwarze Löcher hinterlassen haben, als ihnen der Treibstoff für die Kernfusion ausging. Diese schwarzen Löcher verschlingen dann die gesamte Materie aus ihrer Umgebung und verschmelzen mit anderen schwarzen Löchern, bis sie supermassereich wurden. Zum anderen könnten sich die massereichen schwarzen Löcher direkt durch den Kollaps massereicher Klumpen heißen Gases (etwa 8000 Kelvin, heißer als die Oberfläche der Sonne) gebildet haben. Dieses Gas würde keine Wasserstoffmoleküle bilden und deshalb nicht zu einem normalen Stern kollabieren sondern zu einem sehr viel massereicheren Objekt.

Wie bereits erwähnt bildeten sich Galaxien aus einer Mischung aus gewöhnlicher und dunkler Materie (und daraus bestehen sie auch heute). Während gewöhnliche Materie aus den vertrauten Teilchen, den Protonen, Elektronen und Neutronen aufgebaut ist, wechselwirkt die dunkle Materie mit gewöhnlicher Materie nur über die Schwerkraft. Tatsächlich liegt der größte Teil der Masse einer Galaxie in Form dieser geheimnisvollen Komponente vor. Betrachtet man heute eine typische Galaxie so leben die beiden Arten der Materie - gewöhnliche und dunkle Materie - ruhig nebeneinander, doch zu der Zeit, als die ersten Sterne und Galaxien gebildet wurden, war dies nicht der Fall.

Neue Studien haben gezeigt, dass gewöhnliche und dunkle Materie im frühen Universum sich nicht im Gleichklang bewegten - ähnlich wie Fische, die nicht immer mit dem Strom schwimmen. Da es Relativbewegungen zwischen der gewöhnlichen und der dunklen Materie gab - gegeneinander bewegende “Materieströmungen” - können sie gravitativ nicht in der gleichen Weise kollabiert sein. Die dunkle Materie kollabierte zuerst, da ihr Dichte höher war, und die gewöhnliche Materie folgte der dunklen Materie erst in den gravitativen Kollaps nachdem sich ihre Bewegungen verlangsamt hatten. Daraus folgt, dass sich aufgrund der anfänglichen Materieströmungen die ersten Sterne und Galaxien erst etwas später gebildet haben als bisher angenommen (Abbildung 2).

Kürzlich untersuchte eine Gruppe von Wissenschaftlern am Max- Planck-Institut für Astrophysik und an der Columbia University (New York, USA) die Auswirkungen dieser Materieströmungsbewegungen auf die Entstehung der ersten supermassereichen schwarzen Löcher.

Wie oben bereits angeführt, besteht eine der wichtigsten Auswirkungen der Strömung zwischen den zwei Materiearten darin, dass sich Sterne später bilden als bisher angenommen. Wenn die supermassereichen schwarzen Löcher Nachkommen dieser ersten Sterne sind, dann müsste ihre Zunahme im Universum ebenfalls verzögert werden. Zukünftige Teleskope wie das geplante James Webb Space Telescope der NASA könnte in der Lage sein, schwarze Löcher in diesen frühen Epochen nachzuweisen, etwa 400-500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Modelle mit Materieströmungsbewegungen würden bis zu zehn Mal weniger massereiche schwarze Löcher vorhersagen als vorherige Modelle.

Eine zweite Studie ergab, dass in seltenen Fällen die anfänglichen Materieströmungsbewegungen auch dazu beitragen könnten, sehr große schwarze Löcher direkt zu bilden. Solche Ereignisse können an den seltenen Orten im Universum eintreten, wo die Materieströmung besonders kräftig ist, und auch dort, wo sich große Mengen an Dunkler Materie außergewöhnlich früh ansammeln. Unter diesen Umständen können sich große Gasansammlungen heißer als 8000 Kelvin bilden bevor sich überhaupt Wasserstoffmoleküle und Sterne bilden können, und damit viel früher zu massereichen schwarzen Löchern kollabieren als bisher angenommen (Abbildung 3). Es ist unklar, wie oft diese seltenen Bedingungen tatsächlich zur Bildung massereicher schwarzer Löcher führten. Wie sich aber herausstellt, könnte dieser Mechanismus die Anzahl der sehr hellen Quasare, die beobachtet werden, als das Universum 800 Millionen bis eine Milliarde Jahre alt war, erklären - unabhängig davon, ob diese seltenen Strömungsbedingungen in nur einem Prozent oder in 100 Prozent der Fälle zur Bildung eines massereichen schwarzen Lochs führen.

Diese Studien zeigen, dass die anfänglichen Strömungsbewegungen zwischen gewöhnlicher und dunkler Materie beide Szenarien für die Entstehung von supermassereichen schwarzen Löchern beeinflusst. Diese neuen Erkenntnisse könnten wertvolle Hinweise geben, um die zukünftigen Beobachtungen des frühen Universums richtig zu interpretieren.


Takamitsu Tanaka, Miao Li und Zoltán Haiman


Veröffentlichungen:

Takamitsu Tanaka, Miao Li & Zoltán Haiman, “The effect of baryonic streaming motions on the formation of the first supermassive black holes”, 2013, MNRAS, 435, 3559

Takamitsu Tanaka & Miao Li, "The formation of massive black holes in z~30 dark matter haloes with large baryonic streaming velocities", 2014, MNRAS, in press.