Vlad Krasen
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Etwa 10 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt kann eine verschwommene Galaxie namens Mirachs Geist helfen, ein dunkles Rätsel zu lösen: Woher kamen die größten Schwarzen Löcher im Universum? Diese gespenstische Galaxie hat aber auch das Geheimnis um die Geburt dieser Objekte vertieft.
Ein Schwarzes Loch ist eine Singularität, eine Region in der Raumzeit, in der die Materie zu dicht geworden ist, um sich selbst zu erhalten, und zu einem formlosen Punkt zusammengebrochen ist. Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) sind kosmische Monster, die oft das Milliardenfache der Masse unserer Sonne wiegen, verglichen mit der Masse schwerer Sterne, die gewöhnliche Schwarze Löcher bilden. Sie sitzen in den Zentren großer Galaxien, saugen Gas auf und peitschen Sterne mit ihren immensen Gravitäten herum. Es gibt eine im Zentrum der Milchstraße und eine noch größere im Zentrum der Jungfrau Eine Galaxie, die Astronomen fotografiert haben. Aber es ist immer noch nicht klar, wie sich diese Mammutobjekte gebildet haben.
Physiker glauben, dass es zwei Möglichkeiten gibt: Vielleicht sind SMBHs alte Merkmale des Universums, Objekte, die direkt aus der heißen Masse zusammengebrochen sind, die nach dem Urknall durch den Weltraum strömt. Oder vielleicht haben sie sich wie jedes andere Schwarze Loch im Universum gebildet: als Ergebnis der Detonation sterbender Sterne. Wenn die letztere Erklärung richtig wäre, hätten SMBHs klein angefangen und im Laufe der Äonen zusätzliche Masse aufgenommen, indem sie Staub und andere Sterne verschlungen hätten.
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"Das Problem ist, dass in beiden Fällen die meisten Schwarzen Löcher seit ihrer Geburt erheblich gewachsen sind und Gas- und Staubwolken verschluckt haben, die um sie herumwirbeln", sagte Timothy Davis, Astrophysiker an der Cardiff University in Wales. "Das macht sie schwerer und macht es schwierig, die Masse zu bestimmen, mit der sie ihr Leben begonnen haben."
Also suchten Davis und seine Kollegen nach den kleinsten SMBHs, die sie finden konnten.
Diese kleinen Supermassiven, sagte er, "hatten in ihrer Vergangenheit keine Gelegenheit, große Mengen an Material zu konsumieren. Wenn wir sie also studieren, nähern wir uns der Enthüllung, wie SMBHs ausgesehen haben müssen, als sie gegründet wurden."
Die Forscher untersuchten das SMBH im Zentrum der Galaxie "Mirach's Ghost" (so genannt, weil die Galaxie von der Erde aus wie eine Erscheinung in der Nähe des Sterns Mirach aussieht) und verwendeten eine neue Technik, um ihre Masse zu bestimmen.
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Anhand von Daten aus dem Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) in Chile haben die Forscher die Geschwindigkeit von Kohlenmonoxidgas gemessen, das in Richtung SMBH im Zentrum der Mirach's Ghost-Galaxie wirbelte.
"Genau wie Wasser um ein Loch herum fließt, geht dieses Gas immer schneller, wenn es sich dem Schwarzen Loch nähert", sagte Davis.
Dieser Wirbel ist ein Produkt der Masse des Schwarzen Lochs, sodass die Geschwindigkeit des Wirbels - genau gemessen - den Forschern sagen kann, wie viel das Schwarze Loch wiegt. Die Bilder von ALMA mit einer Auflösung von 1,5 Lichtjahren (sehr detailliert für ein so entferntes Objekt) machten dies möglich. Sie fanden heraus, dass diese SMBH eine Masse hat, die weniger als 1 Million Mal so groß ist wie die unserer Sonne - ein Baby nach SMBH-Maßstäben. Basierend auf Schätzungen, wie viel es seit seiner Geburt gewachsen ist, wog es wahrscheinlich weniger als das 500.000-fache der Masse unserer Sonne, als es geboren wurde, sagte Davis.
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Die Forscher fanden heraus, dass keine der Ursprungsgeschichten korrekt ist. Aber es kippt das Gleichgewicht etwas gegen das direkte Kollapsmodell und schließt extremere Versionen der direkten Kollaps-Theorie vollständig aus. Einige direkte Kollaps-Theorien erlauben es überhaupt nicht, dass sich so kleine SMBHs bilden.
Dennoch ist der Ursprung der Schwarzen Löcher ein Rätsel. Ein Problem: Andere Beobachtungen haben gezeigt, dass sehr große SMBHs in ihrer gegenwärtigen Form sehr bald nach dem Urknall existierten, was unseren Annahmen widerspricht, wie schnell Schwarze Löcher wachsen können.
"Wir kennen zwei Hauptmethoden, um SMBHs herzustellen, und keine von diesen kann schwarze Löcher dieser Größe direkt herstellen. Stattdessen müssen sie kleiner geboren und auf diese erstaunlichen Größen angewachsen sein. Dies ist wirklich schwierig, da es eine Grenze gibt wie viel ein Schwarzes Loch in der verfügbaren Zeit seit der Erschaffung des Universums schlucken kann ", sagte Davis. "Unsere Arbeit verstärkt dieses Problem. Wir haben gezeigt, dass SMBHs mit jedem Mechanismus eine Masse haben, die weniger als das 500.000-fache der Masse unserer Sonne beträgt, wenn sie geboren werden."
Während dies den Ausschlag gegen die Theorie des direkten Zusammenbruchs gibt, bietet keine der beiden Theorien gute Erklärungen dafür, woher ein so kleines SMBH hätte kommen können. Die letztendliche Antwort wird wahrscheinlich einige wesentliche Änderungen an einem der Modelle beinhalten, die Physiker derzeit haben.
Jetzt wissen die Physiker ein bisschen mehr darüber, wie junge SMBHs aussehen. Aber sie sind sich immer noch nicht sicher, woher sie kommen. Das Papier, das das Schwarze Loch im Zentrum von Mirachs Geist beschreibt, wurde heute (14. Juli) in der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht.
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