Die Vorläufer der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher

Es ist eine der schwierigsten Fragen der Astronomie: Wie konnten sich im jungen Universum supermassereiche Schwarze Löcher bilden? Weit entfernte, hell leuchtende Quasare wurden beobachtet, die es bereits gab, als das Weltall weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Der entscheidende Punkt ist aber, dass Schwarze Löcher normalerweise sehr langsam wachsen und in diesem frühen Zeitalter des Universums so noch gar nicht existieren dürften.

Es gibt verschiedene Erklärungsansätze, beispielsweise wird vermutet, dass diese supermassereichen Schwarzen Löcher bei der Explosion supermassereicher Sterne, aus in sich zusammenfallenden Gaswolken oder sogar bei Zusammenstößen kleinerer Schwarzer Löcher entstanden. Nach der Theorie, auf die Dr. Muhammad Latif aufmerksam wurde, wuchsen solche Schwarze Löcher tatsächlich aus extrem großen Vorläufern von Schwarzen Löchern, die direkt kollabierten.

Mithilfe der durch das Projekt FIRSTBHS (The formation of supermassive black holes in the early universe) gewährten Geldmittel simulierte Dr. Latif die Bildung und das Wachstum dieser Vorläufer.

Was macht die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher so interessant?

Die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher sind so interessant, da sie sich im sehr jungen Universum bildeten, innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall. Also in einem Zeitraum, der nur einen kleinen Bruchteil des aktuellen Alters des Universums von 13,7 Milliarden Jahren darstellt. Diese Tatsache widerspricht dem, was wir über die Bildung von Strukturen im All wissen.

Eine passende Analogie wäre, dass Sie einen Kindergarten betreten und dort ein 2 Meter großes Kind treffen. Sie würden sich natürlich fragen, wie dieses Kind so schnell in diese Höhe wachsen konnte. Genauso verhält es sich mit Schwarzen Löchern: Ihre Masse übertrifft die unserer Sonne um das Milliardenfache, und es ist schwer zu verstehen, wie sie in ihrer kurzen Lebenszeit so viel Masse ansammeln konnten, wenn Sterne und Galaxien gerade erst begonnen hatten, sich zu bilden.

Welche Wissenslücken wollten Sie in diesem Projekt konkret schließen?

Wir wollten verstehen, wie sich solche massereichen Objekte am wahrscheinlichsten bilden konnten. Es gibt drei wichtige astrophysikalische Mechanismen, die bei der Bildung der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher zum Tragen gekommen sein könnten. Das vielversprechendste Szenario besteht in einem sogenannten direkten Kollaps: Bei diesem entstehen massereiche Vorläufer, wodurch ein schnelleres Wachstum möglich wird.

In diesem Projekt wollten wir untersuchen, wie realistisch dieses Szenario ist und wie massereich und wie zahlreich die entstehenden Vorläufer sein können. Außerdem wollten wir die Dichte ihres Vorkommens mit tatsächlichen Beobachtungen vergleichen und die zugrunde liegenden astrophysikalischen Mechanismen ausführlich erforschen. Ein weiteres Ziel bestand darin, ihre Signaturen abzuleiten und Vorhersagen für zukünftige Weltraummissionen und bodengestützte Unternehmungen zu treffen.

Wie haben Sie dies erreicht?

Wir führten sogenannte dreidimensionale kosmologische Simulationen durch, die bei den Ausgangsbedingungen ab initio ansetzten, alle erforderlichen physikalischen Vorgänge detailliert zu modellieren.

Was sind Ihrer Ansicht nach die innovativsten Aspekte dieser Vorgehensweise?

Ich würde sagen, dass dies der multiphysikalische Ansatz unserer kosmologischen Simulation ist, der umfassende chemische und Turbulenzmodelle, Magnetfelder sowie Strahlungstransport berücksichtigen, um UV- und Röntgen-Feedbacks von akkretierenden Schwarzen Löchern und Sternen sowie die Metallanreicherung zu modellieren. Dieser Ansatz übersteigt den bisherigen Stand der Technik in diesem Bereich.

Was sind die wichtigsten Erkenntnisse, die im Projekt gesammelt wurden?

Unsere Ergebnisse belegen, dass der Mechanismus des direkten Kollaps zu massereichen Vorläufern von Schwarzen Löchern mit 10^5 bis 10^6 Sonnenmassen führt, aus denen die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher entstanden sein könnten.

Im frühen Universum herrschten ideale Bedingungen für die Bildung solcher Objekte. Insbesondere die makellosen massereichen Halos, die von starker UV-Strahlung getroffen wurden, könnten Geburtsstätten massereicher Schwarzer Löcher gewesen sein. Unseren Erkenntnissen zufolge sind solche Objekte selten, da sie nur unter besonderen Bedingungen entstehen – dies wird unter Experten allerdings noch diskutiert.

Was erwarten Sie von den Missionen JWST und ATHENA?

Wir hoffen, dass mit dem Weltraumteleskop JWST einige dieser Vorläufer gefunden werden können, da diese weit entfernten Objekte in frühen Stadien nur sehr schwach leuchten. Natürlich hängt dies auch davon ab, wie häufig sie vorkommen, was noch nicht geklärt ist.

ATHENA sieht schon vielversprechender aus, da erwartet wird, dass mit diesem Teleskop einige hundert leuchtschwache aktive Galaxiekerne mit einem z-Wert von mehr als 6 gefunden werden. Dies wird die Definition von Modellen zur Bildung Schwarzer Löcher unterstützen.

Haben Sie schon weiterführende Pläne?

Wir untersuchen derzeit das Wachstum Schwarzer Löcher im jungen Universum und haben vor diesem Hintergrund detaillierte Simulationen durchgeführt. Meine Kollegen und ich möchten verstehen, wie sich Feedback vom Schwarzen Loch und von Sternen auf das Wachstum von Schwarzen Löchern auswirkt. Auch die Rolle der Umgebung sowie von Kälteströmen, die in diese Schwarzen Löcher fließen, sind für uns von Interesse. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, synthetische Observablen für die Teleskope E-ELT, Euclid, ATHENA, JWST und SKA abzuleiten, und wir hoffen, mit unserem Ansatz die Bildung und das Wachstum der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher verstehen zu können.

FIRSTBHS
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