Das Konzept dieses Künstlers zeigt den entferntesten Quasar und das entfernteste supermassereiche Schwarze Loch, das ihn antreibt. Bei einer Rotverschiebung von 7,54 entspricht ULAS J1342 + 0928 einer Entfernung von rund 29 Milliarden Lichtjahren; Es ist das am weitesten entfernte Quasar / supermassereiche Schwarze Loch, das jemals entdeckt wurde. Sein Licht trifft heute auf unsere Augen im Radiobereich des Spektrums, weil es nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgestrahlt wurde. (ROBIN DIENEL / CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE)

Wie war es, als sich die ersten supermassiven schwarzen Löcher bildeten?

Diese kosmischen Giganten waren von Anfang an enorm. So sind sie entstanden.

Eine der größten Herausforderungen für die moderne Astrophysik besteht darin zu beschreiben, wie sich das Universum von einem einheitlichen Ort ohne Planeten, Sterne oder Galaxien zu dem reichen, strukturierten und vielfältigen Kosmos entwickelt hat, den wir heute sehen. So weit wir zurückschauen können, als das Universum nur ein paar hundert Millionen Jahre alt war, finden wir eine Menge faszinierender Objekte. Sterne und Sternhaufen gibt es in Hülle und Fülle; Galaxien mit vielleicht einer Milliarde Sternen erleuchten das Universum; Sogar Quasare mit sehr großen Schwarzen Löchern, die sich vor dem Universum gebildet hatten, waren sogar eine Milliarde Jahre alt.

Aber wie hat das Universum in so kurzer Zeit so riesige Schwarze Löcher geschaffen? Nach Jahrzehnten widersprüchlicher Geschichten glauben die Wissenschaftler endlich zu wissen, was passiert ist.

Die Vorstellung eines Künstlers, wie das Universum aussehen könnte, wenn es zum ersten Mal Sterne bildet. Sterne können viele hundert oder sogar tausend Sonnenmassen erreichen und zur relativ schnellen Bildung eines Schwarzen Lochs der Masse führen, die die frühesten bekannten Quasare besitzen (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT (SSC)).

Bereits 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten sich die allerersten Sterne. Massive Gaswolken begannen zu kollabieren, aber weil sie nur aus Wasserstoff und Helium bestanden, kämpften sie darum, Wärme abzustrahlen und ihre Energie abzuleiten. Infolgedessen müssen diese Klumpen, die sich durch Gravitation bilden und wachsen, viel massiver werden als Klumpen, die heute Sterne bilden, und das hat Auswirkungen darauf, welche Arten von Sternen sich bilden.

Während wir heute typischerweise Sterne bilden, die etwa 40% der Masse der Sonne ausmachen, waren die allerersten Sterne im Durchschnitt etwa 25-mal so massereich. Da Sie abkühlen müssen, um zu kollabieren, bilden sich nur die größten und massereichsten Klumpen, die zu Sternen führen. Der durchschnittliche „erste Stern“ könnte zehnmal so massereich sein wie unsere Sonne, wobei viele Einzelsterne Hunderte oder sogar tausend Sonnenmassen erreichen.

Das (moderne) Morgan-Keenan-Spektralklassifizierungssystem mit dem darüber angezeigten Temperaturbereich jeder Sternklasse in Kelvin. Die überwiegende Mehrheit der heutigen Sterne sind Sterne der M-Klasse, wobei nur 1 bekannter Stern der O- oder B-Klasse innerhalb von 25 Parsecs liegt. Unsere Sonne ist ein Stern der G-Klasse. Im frühen Universum waren jedoch fast alle Sterne Sterne der O- oder B-Klasse mit einer durchschnittlichen Masse, die 25-mal höher ist als die der heutigen durchschnittlichen Sterne. (WIKIMEDIA COMMONS USER LUCASVB, ERGÄNZUNGEN VON E. SIEGEL)

Die meisten dieser Sterne werden ihr Leben in einer Supernova beenden und entweder zu einem Neutronenstern oder einem kleinen Schwarzen Loch mit geringer Masse führen. Aber ohne schwere Elemente erreichen die massereichsten Sterne in ihren Kernen so hohe Temperaturen, dass Photonen, die einzelnen Lichtteilchen, so energiegeladen werden können, dass sie spontan beginnen, Materie- und Antimateriepaare allein aus reiner Energie zu erzeugen.

Vielleicht haben Sie schon von Einsteins E = mc² gehört, und dies ist vielleicht die mächtigste Anwendung: Eine reine Energieform wie Photonen kann massive Teilchen erzeugen, solange die fundamentalen Quantenregeln der Natur eingehalten werden. Der einfachste Weg, Materie und Antimaterie zu erzeugen, besteht darin, Photonen ein Elektron / Positron-Paar erzeugen zu lassen, das bei ausreichend hohen Temperaturen von alleine abläuft.

Dieses Diagramm zeigt den Paarproduktionsprozess, von dem Astronomen glauben, dass er das Hypernova-Ereignis SN 2006gy ausgelöst hat. Wenn energiereich genug Photonen erzeugt werden, bilden sie Elektronen / Positronen-Paare, die einen Druckabfall und eine außer Kontrolle geratene Reaktion verursachen, die den Stern zerstört. Die Spitzenhelligkeiten einer Hypernova sind um ein Vielfaches höher als die anderer, „normaler“ Supernova. (NASA / CXC / M. WEISS)

In diesen ultra-massereichen Sternen versucht die Gravitation, wie in allen Sternen, all diese Materie in Richtung Zentrum zu ziehen. Photonen und die gesamte Strahlung, die in den Kernen dieser Sterne erzeugt wird, drücken den Stern zurück und halten ihn hoch, wodurch sein Zusammenbruch verhindert wird.

Wenn Sie jedoch mit der Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren aus diesen Photonen beginnen, verlieren Sie einen Teil dieses Strahlungsdrucks. Du verbrauchst die Fähigkeit deines Sterns, sich gegen den Gravitationskollaps zu behaupten. Und obwohl es einige wenige enge Massenbereiche gibt, die dazu führen, dass sich der Stern vollständig selbst zerstört, führt ein großer Teil der Fälle dazu, dass der gesamte Stern direkt zusammenbricht und ein Schwarzes Loch bildet.

Supernovae-Typen als Funktion der Ausgangsmasse und des Anfangsgehalts von Elementen, die schwerer als Helium sind (Metallizität). Beachten Sie, dass die ersten Sterne die untere Reihe des Diagramms einnehmen, da sie metallfrei sind, und dass die schwarzen Bereiche schwarzen Löchern entsprechen, die direkt zusammenfallen. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Dies ist ein bemerkenswerter Schritt! Dies bedeutet, dass sich die massereichsten Sterne mit vielen hundert oder sogar tausend Sonnenmassen bilden können, wenn das Universum nur etwa 100 Millionen Jahre alt ist: weniger als 1% seines gegenwärtigen Alters. Diese Sterne verbrennen ihren Kernbrennstoff am schnellsten, in 1 oder 2 Millionen Jahren. Und dann werden ihre Kerne so heiß, dass sie Photonen in Partikel und Antiteilchen verwandeln, wodurch der Stern noch schneller zusammenbricht und sich erwärmt.

Sobald Sie eine bestimmte Schwelle überschritten haben, können Sie nur noch zusammenbrechen. Und das ist auch nicht nur Theorie; Wir haben tatsächlich gesehen, wie Sterne direkt ohne eine Supernova kollabierten, was direkt zu etwas führte, das nur ein Schwarzes Loch sein konnte.

Die sichtbaren / IR-nahen Fotos von Hubble zeigen einen massereichen Stern, etwa das 25-fache der Sonnenmasse, der ohne Supernova oder andere Erklärung erloschen ist. Der direkte Zusammenbruch ist die einzige vernünftige Erklärung für den Kandidaten. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

Dies ist jedoch nur der Anfang. Wenn Sie eine große Ansammlung von massiven Objekten haben, die hauptsächlich der Schwerkraft ausgesetzt sind, werden durch diese Wechselwirkungen verschiedene Objekte herumgeschleudert. Die am wenigsten massiven Objekte lassen sich am einfachsten auswerfen, während die am meisten massiven Objekte am schwierigsten auszuwerfen sind. Während diese Sterne, Gaswolken, Klumpen und Schwarzen Löcher herumtanzen, werden sie einer sogenannten Massentrennung unterzogen: Die schwersten Objekte fallen auf das Gravitationszentrum, wo sie interagieren und sich sogar vereinigen können.

Anstelle von ein paar hundert Schwarzen Löchern mit ein paar hundert oder ein paar tausend Sonnenmassen kann man plötzlich ein einziges Schwarzes Loch mit ungefähr 100.000 Sonnenmassen oder mehr haben.

Kataklysmische Ereignisse treten in der gesamten Galaxie und im gesamten Universum auf, von Supernovae über aktive Schwarze Löcher bis hin zur Verschmelzung von Neutronensternen und mehr. In einem Haufen oder Büschel, der viele Schwarze Löcher bildet, ziehen sie andere, kleinere Objekte durch Gravitation an und vertreiben sie, was zu einer Reihe massiver Fusionen führt und ein großes, zentrales Schwarzes Loch entstehen lässt. (J. WISE / GEORGIA INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE UND J. REGAN / DUBLIN CITY UNIVERSITY)

Gravitationsbedingt kann es zwar einige zehn Millionen Jahre dauern, bis dies eintritt, dies gilt jedoch nur für einen einzelnen Sternhaufen! Das Universum bildet von Anfang an überall diese Sternhaufen, und diese Sternhaufen fangen dann an, sich gegenseitig durch die Gravitation anzuziehen. Im Laufe der Zeit werden sich diese unterschiedlichen Sternhaufen gegenseitig beeinflussen, und die Schwerkraft wird sie zusammenbringen.

Bis das Universum nicht mehr als 250 Millionen Jahre alt ist, werden sie sich massenhaft zusammenschließen und zu den ersten Protogalaxien führen. Die Schwerkraft ist eine Kraft, die den Überhund wirklich begünstigt, und im Laufe der Zeit können sich zehn, Hunderte und sogar Tausende dieser anfänglichen frühen Haufen zusammenfinden, um zu immer größeren Galaxien zu wachsen. Durch das kosmische Netz verschmelzen Strukturen zu immer größeren.

Großprojektion durch das Illustris-Volumen bei z = 0, zentriert auf den massereichsten Cluster, 15 Mpc / h tief. Zeigt die Dichte der dunklen Materie (links) im Übergang zur Gasdichte (rechts). Die großräumige Struktur des Universums kann nicht ohne dunkle Materie erklärt werden. Die gesamte Palette der im Universum vorhandenen Elemente gibt vor, dass sich Strukturen zunächst in kleinen Maßstäben bilden und schließlich zu immer größeren führen. (ILLUSTRIS-ZUSAMMENARBEIT / ILLUSTRIS-SIMULATION)

Dies kann uns leicht zu Massen bringen, die viele zig Millionen Sonnenmassen betragen, bis wir zu den ersten Galaxien gelangen, aber es passiert auch etwas anderes. Es sind nicht nur schwarze Löcher, die zusammenwachsen, um supermassereiche in der Mitte zu bilden. es ist jede Sache, die in sie fällt! Diese frühen Galaxien sind kompakte Objekte und voller Sterne, Gas, Staub, Sternhaufen, Planeten und mehr. Immer wenn etwas zu nahe an ein Schwarzes Loch kommt, besteht die Gefahr, dass es verschlungen wird.

Denken Sie daran, dass die Schwerkraft eine außer Kontrolle geratene Kraft ist: Je mehr Masse Sie haben, desto mehr Masse ziehen Sie an. Und wenn sich etwas einem Schwarzen Loch zu nahe kommt, wird seine Materie gedehnt und erhitzt, wodurch sie Teil der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs wird. Ein Teil dieser Materie wird erhitzt und beschleunigt, wo sie Quasarstrahlen abgeben kann. Aber auch ein Teil davon wird hineinfallen, wodurch die Masse des Schwarzen Lochs noch weiter wächst.

Wenn sich Schwarze Löcher von Materie ernähren, erzeugen sie eine Akkretionsscheibe und einen dazu senkrechten bipolaren Strahl. Wenn ein Strahl aus einem supermassiven Schwarzen Loch auf uns zeigt, nennen wir es entweder ein BL Lacertae-Objekt oder einen Blazar. Es wird jetzt angenommen, dass dies eine Hauptquelle sowohl für kosmische Strahlung als auch für energiereiche Neutrinos ist. (NASA / JPL)

Wenn es ein Vokabular gäbe, das Astrophysiker, die sich mit dem Wachstum von Objekten durch Schwerkraft befassen, wünschen, dass die Öffentlichkeit es weiß, dann wäre es dieser seltsame Ausdruck: nichtlinear. Wenn Sie eine Region haben, die dichter als der Durchschnitt ist, zieht sie bevorzugt Materie an. Wenn es nur ein paar Prozent dichter als der Durchschnitt ist, ist die Anziehungskraft nur ein paar Prozent effektiver als der Durchschnitt. Verdoppeln Sie den Betrag, den Sie überschwemmen, und verdoppeln Sie den Betrag, den Sie beim Anlocken von Dingen effektiver einsetzen.

Wenn Sie jedoch eine bestimmte Schwelle erreichen, die etwa doppelt so hoch ist wie der Durchschnitt, können Sie andere Themen doppelt so effektiv anziehen. Wenn Sie anfangen, den Gravitationskrieg zu „gewinnen“, gewinnen Sie mit der Zeit immer schwerer. Die massereichsten Regionen wachsen also nicht nur am schnellsten, sie fressen alles um sich herum. Mit der Zeit, die eine halbe Milliarde Jahre vergeht, können Sie enorm sein.

Die ferne Galaxie MACS1149-JD1 wird von einem Vordergrundcluster gravitativ gebündelt, so dass sie auch ohne Technologie der nächsten Generation mit hoher Auflösung und mit mehreren Instrumenten abgebildet werden kann (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), DAS CLASH-TEAM, HASHIMOTO ET AL.)

Die frühesten Galaxien und Quasare, die wir jemals gefunden haben, gehören zu den hellsten und massereichsten, von denen wir erwarten, dass sie existieren. Sie sind die großen Sieger in den Gravitationskriegen des frühen Universums: die ultimativen kosmischen Overdogs. Bis unsere Teleskope sie 400 bis 700 Millionen Jahre nach dem Urknall (der früheste Quasar stammt aus 690 Millionen Jahren) aufdecken, haben sie bereits Milliarden von Sternen und supermassereiche Schwarze Löcher mit vielen hundert Millionen Sonnenmassen.

Dies ist jedoch keine kosmische Katastrophe. Dies ist ein Beweis, der die außer Kontrolle geratene Kraft der Gravitation in unserem Universum demonstriert. Diese Objekte, die von der ersten Generation von Sternen und den relativ großen Schwarzen Löchern ausgesät werden, verschmelzen und wachsen innerhalb eines Clusters und werden dann noch größer, wenn Cluster zu Galaxien verschmelzen und Galaxien zu größeren Galaxien verschmelzen. Bis heute haben wir Schwarze Löcher, die zig Milliarden so massereich sind wie die Sonne. Aber selbst in den frühesten Stadien, die wir beobachten können, sind Schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen in greifbarer Nähe. Wenn wir den kosmischen Schleier lösen, hoffen wir, genau zu lernen, wie sie erwachsen werden.

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Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.