Mysteriöse Giganten: Die gigantischen Schwarzen Löcher des frühen Kosmos geben Rätsel auf, denn sie sind zu massereich, um aus den wenigen damals vorhandenen Sternen entstanden zu sein. Doch es gibt einen anderen Weg, wie nun Astronomen mithilfe von Modellrechnungen bestätigen. Demnach entstanden diese primordialen Giganten nicht aus sterbenden Sternen, sondern direkt aus kollabierenden Gaswolken.
Schwarze Löcher entstehen gängiger Theorie nach dadurch, dass ein massereicher Stern in einer Supernova kollabiert. Wie allerdings aus solchen stellaren Objekten die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien werden, ist bislang nur in Teilen geklärt. Astronomen vermuten, dass eine Kombination aus allmählichem Wachstum und der Verschmelzung von Schwarzen Löchern diese Massegiganten hervorbrachte. Um zu so enormer Masse heranzuwachsen, benötigen die meisten dieser Schwarzen Löcher allerdings große Zeiträume von Milliarden Jahren.
Das Dilemma der primordialen Riesen
Doch in jüngster Zeit haben Astronomen immer mehr supermassereiche Schwarze Löcher auch aus der Frühzeit des Universums entdeckt. Diese Quasare sind schon mehr als 12 Milliarden Jahre alt – einer stammt sogar aus der Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall. Trotzdem aber umfassen diese Schwarzen Löcher schon hunderte Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen.
Wie ist das möglich? Rein theoretisch hatten diese Massegiganten gar nicht genug Zeit, um seit dem Urknall so stark zu wachsen. Denn beim Aufsaugen von Materie gibt es ein physikalisches Limit, die sogenannte Eddington-Grenze. Wird sie überschritten, fliegt das von der Schwerkraft angezogene Material wieder nach außen, statt im Schwarzen Loch zu verschwinden. Die primordialen Riesen müssen demnach entweder diese Grenze umgangen haben oder aber schon mit sehr großer Masse gestartet sein.
Direkter Kollaps statt stellarer Relikte?
Neue Argumente für eine der dazu diskutierten Theorien präsentieren nun Shantanu Basu und Arpan Das von der University of Western Ontario. Nach dieser Theorie könnten diese massereichen Schwarzen Löcher direkt aus kollabierenden, sehr massereichen Gaswolken entstanden sein – ohne Mitwirkung explodierender Sterne. Erste Hinweise auf solche Direktkollaps-Schwarze Löcher haben Astronomen bereits 2016 im Weltraum entdeckt.
Jetzt präsentieren Basu und Das Modellrechnungen, die belegen, dass ein solcher Gaswolken-Kollaps tatsächlich zu den Massegiganten des frühen Kosmos geführt haben könnte. Ihrem Szenario nach sorgt die energiereiche Strahlung der massereichen ersten Sterne dafür, dass Wasserstoffmoleküle in benachbarten Wasserstoffwolken in Atome zerfallen und abkühlen. Dies verhinderte, dass dort neue Sterne entstanden und förderte stattdessen die direkte Bildung massereicher Schwarzer Löcher durch einen Gaskollaps.
Schub mit abruptem Ende
Das neue Modell erlaubt es nun, den Ablauf und die Dauer dieser Kollaps-Phase genauer einzugrenzen. Demnach waren die Bedingungen im frühen Kosmos nur rund 150 Millionen Jahre lang günstig genug, um diesen Prozess zu ermöglichen. „In dieser Zeit nahm die Zahl von Schwarzen Löchern mit rund 100.000 Sonnenmassen rapide zu“, berichten Basu und Das. „Diese Objekte lagen in gasreichen Halos und unterlagen einem Super-Eddington-Wachstum.“ Die Schwarzen Löcher wuchsen demnach schneller heran, als es die Eddington-Grenze unter heutigen Bedingungen erlaubt.
Dann jedoch hörte die direkte Bildung der Schwarzen Löcher abrupt auf. „Die ganze Strahlung der anderen Schwarzen Löcher und der Sterne brachte diesen Prozess zum Stillstand“, berichtet Basu. Die Gaswolken lösten sich allmählich auf und damit fehlte der Rohstoff für den Kollaps-Prozess und auch das schnelle Wachstum. Ab dann wuchsen die Massegiganten nur noch durch normale Akkretion oder durch Verschmelzung nach der Kollision von Galaxien.
Anstoß für weitere Entwicklung
Nach Ansicht der Astronomen könnte aber schon dieser kurze, starke Schub ausgereicht haben, um die Entstehung der Massegiganten im frühen Kosmos zu erklären. „Unsere Daten liefern indirekte Belege dafür, dass diese Schwarzen Löcher aus direktem Kollaps entstanden sind und nicht aus stellaren Relikten“, sagt Basu. Weil ihr Modell auch die Gesetzmäßigkeiten dieses Prozesses präzisiert, könnte dies dabei helfen, das Rätsel um die primordialen Massegiganten zu lösen. (Astrophysical Journal Letters, 2019; doi: 10.3847/2041-8213/ab2646)
Quelle: University of Western Ontario
