Die ersten Schwarzen Löcher des Universums litten unter Nahrungsmangel: Statt Gas und Staub im Überfluss einzusaugen und schnell heranzuwachsen, fanden sie in ihrer unmittelbaren Umgebung kaum „Futter“. Das zeigt eine jetzt in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ erschienene Simulation. Die gängige Annahme zur Entstehung der supermassereichen Singularitäten im Zentrum unserer Galaxien wird damit sehr unwahrscheinlich.
Die meisten Theorien gehen davon aus, dass die allerersten Schwarzen Löcher Gaswolken und Staub des frühen Universums verschlangen und dadurch schnell zu den gigantischen Riesen heranwuchsen, die heute in den Zentren von Galaxien wie der unsrigen lauern. Doch eine neue Studie von Astrophysikern des SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford Universität, sowie des Goddard Space Flight Center der NASA deutet auf ein sehr viel komplexeres Verhalten hin.
Rätsel der „Schwarzen Riesen“
„Quasare, angetrieben von Schwarzen Löchern, die Milliarden Mal massereicher sind als unsere Sonne, gab es schon im frühen Universum“, erklärt Marcelo Alvarez vom SALC. „Wir müssen nun erklären, warum diese Giganten so schnell so groß werden konnten. Ihr Ursprung gehört zu den fundamentalen unbeantworteten Fragen der Astrophysik.“ Nach einer der bisher diskutierten Theorien waren die allerersten Schwarzen Löcher „Keimlinge“, die sehr viel Materie ansaugten und so besonders schnell wuchsen. Aber gab es in ihrem Umfeld damals überhaupt schon ausreichend „Futter“?
Simulation des frühen Kosmos
Um das herauszufinden entwickelten die Wissenschaftler die bisher detaillierteste Simulation der Prozesse beim Kollaps der frühesten Sterne und der Entstehung der ersten Schwarzen Löcher im noch jungen Universum. Basis bildeten Daten aus der Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung, die einen Rückschluss über die Materieverteilung und Strukturen des frühen Kosmos erlauben. Darauf wandten die Forscher dann die Grundgesetze der Interaktion von Materie an und simulierten so die Weiterentwicklung des Universums.
In der Simulation kondensierten die Gaswolken, die vom Urknall übrig geblieben waren unter dem Einfluss der Schwerkraft allmählich und bildeten die ersten Sterne. Diese massereichen, heißen Sterne brannten für eine kurze Zeit sehr hell und erzeugten damit so viel Energie und Strahlungsdruck, dass sie die Gaswolken aus ihrer unmittelbaren Nähe verdrängten. Doch bald war der Brennstoff der Sterne erschöpft, sie kollabierten und wurden zu Schwarzen Löchern.
Gasarme Zone im Umfeld
Diese Schwarzen Löcher allerdings hatten ein Problem: Durch die intensive Strahlung des Sterns gab es kaum Materie in ihrem Umfeld, ihnen fehlte das „Futter“ um zu wachsen. In der Simulation war das Wachstum der frühen Singularitäten vernachlässigbar, weniger als ein Prozent im Laufe von hundert Millionen Jahren nahmen sie an Masse zu. Das wiederlegt zwar die Theorie der schnell wachsenden Riesen noch nicht komplett, macht es aber sehr unwahrscheinlich, dass sie schon weniger als eine Milliarde Jahre später zu supermassereichen Schwarzen Löchern geworden sein sollen.
Röntgenstrahlung löst Kollaps von Gaswolken aus
Stattdessen postulieren die Wissenschaftler eine andere Entstehungsgeschichte für die „Schwarzen Riesen“: In der Simulation zeigte sich, dass die Gaswolken zwar weit entfernt von den Schwarzen Löchern blieben, es aber durchaus vereinzelte Gasfilamente aus dem Außenbereich der Wolken gab, die vom Schwarzen Loch eingesaugt wurden. Dadurch wurde die Materie beschleunigt und gab dabei genügend energiereiche Röntgenstrahlung ab, um auch hunderte von Lichtjahre entfernte Gasansammlungen auf mehrere tausend Grad aufzuheizen.
Das trieb die Wolken zwar noch weiter weg, verhinderte aber gleichzeitig auch, dass das Gas kondensierte und sich Sterne bildeten. Dadurch wiederum wurden die Gaswolken viel größer und massereicher als normalerweise bei einsetzender Sternenbildung möglich. Als Folge kollabierten diese Wolken irgendwann unter ihrer eigenen Schwerkraft und bildeten ein supermassereiches Schwarzen Loch.
Indiz für direkte Bildung der supermassereichen Löcher
„Während die Röntgenstrahlen der ersten Schwarzen Löcher ihr eigenes Wachstum bremsten, machte die gleiche Strahlung später den Weg frei für eine direkte Bildung der supermassereichen Schwarzen Löcher indem sie die Sternenbildung unterdrückte“, erklärt Alvarez. „Noch allerdings bleibt eine Menge zu tun um zu testen, ob diese Theorie sich wirklich bestätigt. Es ist gerade mal die Spitze des Eisbergs in Bezug auf realistische Simulationen von Schwarzen Löchern im frühen Universum.“
„Diese Ergebnisse werden Leute zum Revidieren ihrer Vorstellung darüber bringen, wie diese Schwarzen Löcher ihre Umgebung beeinflussten“, ergänzt John Wise von der NASA. „Schwarze Löcher sind nicht einfach tote Stücke Materie, sie beeinflussen auch andere Bereiche der Galaxien.“
(SALC National Accelerator Laboratory, 12.08.2009 – NPO)
