Was fütterte frühe Schwarze Löcher, die ihr sehr schnelles Wachstum ermöglichten? Eine neue Entdeckung, die Forscher der Carnegie Mellon University mithilfe einer Kombination aus Supercomputersimulationen und GigaPan Time Machine-Technologie gemacht haben, zeigt, dass eine Diät aus kosmischem „Fast Food“ (dünne Kaltgasströme) unkontrolliert in das Zentrum der ersten Schwarzen Löcher floss und diese verursachte Sie sollen „übergroß“ sein und schneller wachsen als alles andere im Universum.
Als unser Universum jung war, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, begannen sich Galaxien zu bilden und zu wachsen. Nach früheren Theorien sollten die Schwarzen Löcher zu dieser Zeit ebenso klein gewesen sein. Daten aus der Sloan Digital Sky Survey haben das Gegenteil bewiesen - bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall gab es supermassereiche Schwarze Löcher.
„Die Sloan Digital Sky Survey hat in weniger als 1 Milliarde Jahren supermassereiche Schwarze Löcher gefunden. Sie hatten die gleiche Größe wie die massereichsten Schwarzen Löcher von heute, die 13,6 Milliarden Jahre alt sind “, sagte Tiziana Di Matteo, Associate Professor für Physik (Carnegie Mellon University). „Es war ein Rätsel. Warum bilden sich einige Schwarze Löcher so früh, wenn andere das ganze Zeitalter des Universums brauchen, um die gleiche Masse zu erreichen? “
Supermassive Schwarze Löcher sind die größten Schwarzen Löcher, die es gibt - sie wiegen milliardenfach so viele wie die Sonne. Die meisten „normalen“ Schwarzen Löcher sind nur etwa 30-mal so massereich wie die Sonne. Der derzeit akzeptierte Mechanismus zur Bildung supermassiver Schwarzer Löcher beruht auf galaktischen Fusionen. Ein Problem mit dieser Theorie und wie sie für frühe supermassive Schwarze Löcher gilt, ist, dass es im frühen Universum nicht viele Galaxien gab und sie zu weit voneinander entfernt waren, um zu verschmelzen.
Rupert Croft, außerordentlicher Professor für Physik (Carnegie Mellon University), bemerkte: „Wenn Sie die Gleichungen für die Entstehung von Galaxien und Schwarzen Löchern schreiben, ist es nicht möglich, dass sich diese riesigen Massen so früh bilden könnten. Aber wir schauen zum Himmel und Da sind sie."
Um die Prozesse zu verstehen, die die frühen supermassiven Schwarzen Löcher bildeten, entwickelten Di Matteo, Croft und Khandai MassiveBlack - die bislang größte kosmologische Simulation. Der Zweck von MassiveBlack ist es, die ersten Milliarden Jahre unseres Universums genau zu simulieren. Di Matteo beschrieb MassiveBlack wie folgt: „Diese Simulation ist wirklich gigantisch. Es ist das größte in Bezug auf das Niveau der Physik und das tatsächliche Volumen. Wir haben das getan, weil wir daran interessiert waren, seltene Dinge im Universum zu betrachten, wie die ersten Schwarzen Löcher. Weil sie so selten sind, müssen Sie über ein großes Raumvolumen suchen. “
Croft und das Team begannen die Simulationen mit bekannten Modellen der Kosmologie, die auf Theorien und Gesetzen der modernen Physik basierten. "Wir haben nichts Verrücktes hineingesteckt. Es gibt keine magische Physik, kein zusätzliches Zeug. Es ist dieselbe Physik, die in Simulationen des späteren Universums Galaxien bildet “, sagte Croft. „Aber auf magische Weise erscheinen diese frühen Quasare, genau wie sie beobachtet wurden. Wir wussten nicht, dass sie auftauchen würden. Es war erstaunlich, ihre Massen zu messen und „Wow! Diese haben genau die richtige Größe und erscheinen genau zum richtigen Zeitpunkt. "Es ist eine Erfolgsgeschichte für die moderne Theorie der Kosmologie."
Die Daten von MassiveBlack wurden dem GigaPan Time Machine-Projekt hinzugefügt. Durch die Kombination der MassiveBlack-Daten mit dem GigaPan Time Machine-Projekt konnten die Forscher die Simulation so betrachten, als wäre es ein Film - und sich dabei problemlos über das simulierte Universum bewegen. Als das Team Ereignisse bemerkte, die interessant erschienen, konnten sie auch zoomen, um die Ereignisse detaillierter zu betrachten, als sie es mit boden- oder weltraumgestützten Teleskopen in unserem eigenen Universum sehen konnten.
Als das Team die Entstehung der ersten supermassiven Schwarzen Löcher vergrößerte, sah es etwas Unerwartetes. Normale Beobachtungen zeigen, dass kaltes Gas, wenn es in Richtung eines Schwarzen Lochs strömt, durch Kollisionen mit anderen nahe gelegenen Gasmolekülen erwärmt wird und sich dann abkühlt, bevor es in das Schwarze Loch eintritt. Bekannt als "Schockerwärmung", sollte der Prozess verhindern, dass frühe Schwarze Löcher die beobachteten Massen erreichen. Stattdessen beobachtete das Team dünne Ströme von kaltem, dichtem Gas, die entlang von „Filamenten“ flossen. Dies wurde in groß angelegten Untersuchungen beobachtet, die die Struktur unseres Universums enthüllten. Die Filamente ließen das Gas mit unglaublicher Geschwindigkeit direkt in die Mitte der Schwarzen Löcher strömen und versorgten sie mit kaltem Fast Food. Der stetige, aber unkontrollierte Verbrauch ermöglichte es den Schwarzen Löchern, viel schneller zu wachsen als ihre Wirtsgalaxien.
Die Ergebnisse werden in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Wenn Sie mehr lesen möchten, lesen Sie die folgenden Artikel (über Physics arXiv):
Terapixel-Bildgebung kosmologischer Simulationen
Die Bildung von Galaxien mit z ~ 6 Quasaren
Frühe schwarze Löcher in kosmologischen Simulationen
Kalte Strömungen und die ersten Quasare
Weitere Informationen zu Gigapan und MassiveBlack finden Sie unter: http://gigapan.org/gigapans/76215/ und http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Quelle: Pressemitteilung der Carnegie Mellon University
