SUPERMASSIVE SCHWARZE LöCHER ODER IHRE GALAXIEN? WELCHES KAM ZUERST?

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Es gibt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum fast jeder Galaxie im Universum. Wie sind Sie dort hin gekommen? Welche Beziehung besteht zwischen diesen schwarzen Löchern und den sie umgebenden Galaxien?

Jedes Mal, wenn Astronomen weiter in das Universum schauen, entdecken sie neue Geheimnisse. Diese Geheimnisse erfordern alle neuen Werkzeuge und Techniken, um sie zu verstehen. Diese Geheimnisse führen zu weiteren Geheimnissen. Was ich damit sagen will ist, dass es sich um mysteriöse Schildkröten handelt.

Eines der faszinierendsten ist die Entdeckung von Quasaren, das Verstehen, was sie sind, und die Enthüllung eines noch tieferen Geheimnisses, woher kommen sie?

Wie immer bin ich mir selbst voraus. Lassen Sie uns zunächst zurückgehen und über die Entdeckung von Quasaren sprechen.

In den 1950er Jahren suchten Astronomen mit Radioteleskopen den Himmel ab und fanden im fernen Universum eine Klasse bizarrer Objekte. Sie waren sehr hell und unglaublich weit weg; Hunderte Millionen oder sogar Milliarden Lichtjahre entfernt. Die ersten wurden im Funkspektrum entdeckt, aber im Laufe der Zeit fanden Astronomen im sichtbaren Spektrum noch mehr Flammen.

Der Astronom Hong-Yee Chiu prägte den Begriff „Quasar“, der für quasi-stellares Objekt stand. Sie waren wie Sterne, die von einer einzigen Punktquelle aus leuchteten, aber sie waren eindeutig keine Sterne, die mit mehr Strahlung loderten als eine ganze Galaxie.

Im Laufe der Jahrzehnte rätselten Astronomen die Natur von Quasaren und erfuhren, dass es sich tatsächlich um Schwarze Löcher handelte, die aktiv Strahlung speisten und ausstrahlten, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sichtbar waren.

Aber es waren nicht die schwarzen Löcher der Sternmasse, die bekanntermaßen aus dem Tod von Riesensternen stammten. Dies waren supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- oder sogar milliardenfachen Masse der Sonne.

Bereits in den 1970er Jahren erwogen Astronomen die Möglichkeit, dass es diese supermassiven Schwarzen Löcher im Herzen vieler anderer Galaxien geben könnte, sogar der Milchstraße.

1974 entdeckten Astronomen eine Funkquelle im Zentrum der Milchstraße, die Strahlung emittierte. Es trug den Titel Schütze A * mit einem Sternchen, das in der Perspektive der „angeregten Atome“ für „aufregend“ steht.

Dies würde den Emissionen eines supermassiven Schwarzen Lochs entsprechen, das sich nicht aktiv von Material ernährt. Unsere eigene Galaxie hätte in der Vergangenheit oder in der Zukunft ein Quasar sein können, aber im Moment war das Schwarze Loch, abgesehen von dieser subtilen Strahlung, größtenteils still.

Die Astronomen mussten sicher sein, also führten sie eine detaillierte Untersuchung des Zentrums der Milchstraße im Infrarotspektrum durch, die es ihnen ermöglichte, durch das Gas und den Staub zu sehen, die den Kern im sichtbaren Licht verdecken.

Sie entdeckten eine Gruppe von Sternen, die den A-Stern des Schützen umkreisen, wie Kometen, die die Sonne umkreisen. Nur ein Schwarzes Loch mit der millionenfachen Sonnenmasse könnte die Art von Gravitationsanker liefern, um diese Sterne in solch bizarren Bahnen herumzuschleudern.

Weitere Untersuchungen ergaben ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen der Andromeda-Galaxie. Tatsächlich scheint es, als ob sich diese Monster im Zentrum fast jeder Galaxie im Universum befinden.

Aber wie haben sie sich gebildet? Wo kommst du her? Hat sich die Galaxie zuerst gebildet und das Schwarze Loch in der Mitte gebildet, oder hat sich das Schwarze Loch gebildet und eine Galaxie um sie herum aufgebaut?

Bis vor kurzem war dies tatsächlich noch eines der großen ungelösten Rätsel der Astronomie. Trotzdem haben Astronomen mit immer sensibleren Observatorien viel geforscht, ihre Theorien ausgearbeitet und sammeln nun Beweise, um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen.

Astronomen haben zwei Modelle entwickelt, wie die großräumige Struktur des Universums zusammenkommt: von oben nach unten und von unten nach oben.

Im Top-Down-Modell bildete sich auf einmal ein ganzer galaktischer Supercluster aus einer riesigen Wolke aus ursprünglichem Wasserstoff, die vom Urknall übrig geblieben war. Sterne im Wert eines Superclusters.

Als die Wolke zusammenkam, wirbelte sie herum und warf kleinere Spiralen und Zwerggalaxien aus. Diese könnten später kombiniert werden, um die komplexere Struktur zu bilden, die wir heute sehen. Die supermassiven Schwarzen Löcher hätten sich als dichte Kerne dieser Galaxien gebildet, als sie zusammenkamen.

Wenn Sie sich darum kümmern möchten, denken Sie an das hervorragende Kinderzimmer, das unsere Sonne geformt hat, und an eine Reihe anderer Sterne. Stellen Sie sich eine einzelne Gas- und Staubwolke vor, die mehrere Sternensysteme bildet. Im Laufe der Zeit reiften die Sterne und trieben voneinander weg.

Das ist von oben nach unten. Ein großes Ereignis, das zu der Struktur führt, die wir heute sehen.

Im Bottom-up-Modell sammelten sich Gas- und Staubtaschen zu immer größeren Massen zusammen und bildeten schließlich Zwerggalaxien und sogar die Cluster und Supercluster, die wir heute sehen. Die supermassiven Schwarzen Löcher im Herzen von Galaxien entstanden aus Kollisionen und Fusionen zwischen Schwarzen Löchern über Äonen.

Auf diese Weise denken Astronomen, dass sich die Planeten im Sonnensystem gebildet haben. Durch Staubstücke, die sich gegenseitig zu immer größeren Körnern anziehen, bis sich die planetgroßen Objekte über Millionen von Jahren gebildet haben.

Von unten nach oben kommen kleine Teile zusammen.

Kurz nach dem Urknall war das gesamte Universum unglaublich dicht. Aber es war nicht überall die gleiche Dichte. Winzige Quantenschwankungen in der Dichte zu Beginn entwickelten sich über Milliarden von Jahren der Expansion zu den galaktischen Superclustern, die wir heute sehen.

Ich möchte aufhören und dies für eine Sekunde in dein Gehirn sinken lassen. Im frühen Universum gab es mikroskopische Dichteschwankungen. Und diese Variationen wurden zu Strukturen von Hunderten Millionen Lichtjahren, die wir heute sehen.

Stellen Sie sich die beiden Kräfte vor, die bei der Expansion des Universums im Spiel waren. Einerseits haben Sie die gegenseitige Schwerkraft der Partikel, die sich gegenseitig zusammenziehen. Andererseits haben Sie die Ausdehnung des Universums, die die Teilchen voneinander trennt. Die Größe der Galaxien, Cluster und Supercluster wurde durch den Gleichgewichtspunkt dieser entgegengesetzten Kräfte bestimmt.

Wenn kleine Teile zusammenkommen, erhalten Sie diese Bottom-up-Formation. Wenn große Teile zusammenkommen, erhalten Sie diese Top-Down-Formation.

Wenn Astronomen auf den größten Skalen in das Universum blicken, beobachten sie Cluster und Supercluster, soweit sie sehen können - was das Top-Down-Modell unterstützt.

Andererseits zeigen Beobachtungen, dass sich die ersten Sterne nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben, der Bottom-up unterstützt.

Die Antwort ist also beides?

Nein, die modernsten Beobachtungen geben den Bottom-up-Prozessen den entscheidenden Vorteil.

Der Schlüssel ist, dass sich die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, was bedeutet, dass die Gravitationswechselwirkungen zwischen Partikeln, die sich voneinander weg ausbreiten, zum Aufholen und zur Lichtgeschwindigkeit benötigt werden.

Mit anderen Worten, Sie würden nicht das Material eines Superclusters zusammenbringen, sondern nur das Material eines Sterns. Aber diese ersten Sterne bestanden aus reinem Wasserstoff und Helium und konnten viel massereicher werden als die Sterne, die wir heute haben. Sie würden schnell leben und bei Supernova-Explosionen sterben und viel massereichere Schwarze Löcher erzeugen als heute.

Die ersten Protogalaxien kamen zusammen und sammelten diese ersten schwarzen Monsterlöcher und die sie umgebenden massiven Sterne. Und dann, über Millionen und Milliarden von Jahren, verschmolzen diese Schwarzen Löcher immer wieder und sammelten Millionen und sogar Milliarden Mal die Masse der Sonne. So kamen wir zu den modernen Galaxien, die wir heute sehen.

Es gab kürzlich eine Beobachtung, die diese Schlussfolgerung stützt. Anfang dieses Jahres kündigten Astronomen die Entdeckung supermassiver Schwarzer Löcher im Zentrum relativ kleiner Galaxien an. In unserer eigenen Milchstraße ist das supermassereiche Schwarze Loch 4,1 Millionen Mal so groß wie die Masse der Sonne, macht aber nur 0,01% der Gesamtmasse der Galaxie aus.

Astronomen der Universität von Utah fanden jedoch zwei ultrakompakte Galaxien mit schwarzen Löchern, die 4,4 Millionen bzw. 5,8 Millionen Mal so groß wie die Sonnenmasse sind. Und doch machen die Schwarzen Löcher 13 und 18 Prozent der Masse ihrer Wirtsgalaxien aus.

Der Gedanke ist, dass diese Galaxien einst normal waren, aber früher in der Geschichte des Universums mit anderen Galaxien kollidierten, von ihren Sternen befreit und dann ausgespuckt wurden, um den Kosmos zu durchstreifen.

Sie sind die Opfer dieser frühen Verschmelzungsereignisse, ein Beweis für das Gemetzel, das im frühen Universum geschah, als die Fusionen stattfanden.

Wir sprechen immer über die ungelösten Rätsel im Universum, aber dies ist eines, das Astronomen zu rätseln beginnen.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Struktur des Universums, die wir heute sehen, von unten nach oben gebildet hat. Die ersten Sterne kamen zu Protogalaxien zusammen und starben als Supernova, um die ersten Schwarzen Löcher zu bilden. Die Struktur des Universums, die wir heute sehen, ist das Endergebnis von Milliarden von Jahren der Bildung und Zerstörung. Mit den supermassiven Schwarzen Löchern, die im Laufe der Zeit zusammenkommen.

Sobald Teleskope wie James Webb an die Arbeit gehen, sollten wir in der Lage sein, diese Teile am äußersten Rand des beobachtbaren Universums zusammenkommen zu sehen.