Supermassive Schwarze Löcher sind Galaxiemonster

Es gibt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie. Es kann nicht direkt durch Teleskope oder mit unseren Augen gesehen werden, aber Astronomen wissen, dass es da ist. Tatsächlich gibt es im Herzen vieler Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher. Woher wissen Astronomen, dass diese Monster in den galaktischen Kernen lauern? Sie wenden eine Vielzahl von Methoden an, um Licht zu untersuchen, wenn es an einem Schwarzen Loch vorbeigeht, und sie untersuchen auch die Region um ein Schwarzes Loch, um zu verstehen, wie es sich auf nahegelegene Gas-, Staub- und sogar Sternwolken auswirkt. Gegenwärtig ist das supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße, genannt Schütze A *, ziemlich leise, und Astronomen beobachten es in vielen Wellenlängen des Lichts, um seine Aktionen zu verstehen.

Warum die Faszination der schwarzen Löcher??

Schwarze Löcher sind ein Favorit in Science-Fiction-Geschichten und Medien. Manchmal werden sie als Plotgerät verwendet, um eine Art interstellaren Reisetrick zu ermöglichen. Oder sie werden in Zeitreisen oder anderen wichtigen Elementen einer Geschichte vorgestellt. So faszinierend solche Geschichten auch sind, die Realität hinter diesen seltsamen Giganten ist faszinierender, als sich Schriftsteller vorstellen können. Was sind die Fakten um supermassive Schwarze Löcher? Gibt es eine Wissenschaft hinter den Science-Fiction-Darstellungen von supermassiven Schwarzen Löchern? Lass es uns herausfinden.

Was sind supermassive schwarze Löcher??

Im Allgemeinen sind supermassive Schwarze Löcher genau das, was ihr Name sagt: wirklich, wirklich massive Schwarze Löcher. Sie messen in Hunderttausenden von Sonnenmassen (eine Sonnenmasse entspricht der Masse der Sonne) bis zu Milliarden von Sonnenmassen. Sie besitzen immense Macht und üben einen unglaublichen Einfluss auf ihre Galaxien aus.

Die Anziehungskraft des vermuteten Schwarzen Lochs bildet eine Frisbee-artige Scheibe aus kühlem Gas im Kern einer Galaxie. Spätere Beobachtungen von Hubble bestätigten, dass in einer anderen Galaxie monströse schwarze Löcher vorhanden sind, die alles einfangen, sogar Licht. L. Ferrarese (Johns Hopkins University) und die NASA

Die meisten supermassiven Schwarzen Löcher existieren in den Kernen von Galaxien. Durch diese zentrale Lage können sie (zumindest teilweise) dazu beitragen, Galaxien zusammenzuhalten. Ihre Schwerkraft ist aufgrund ihrer unglaublichen Masse so groß, dass selbst hunderttausende Lichtjahre entfernte Sterne im Orbit um sie und die von ihnen bewohnten Galaxienkerne gebunden sind.

Schwarze Löcher und ihre unglaubliche Dichte

Wenn Astronomen von Schwarzen Löchern sprechen, ist die wichtigste Eigenschaft, die sie verwenden, um Schwarze Löcher von anderen "normalen" Objekten im Universum zu unterscheiden, die Dichte. Dies ist die Menge an "Zeug", die in das Volumen eines Schwarzen Lochs gepackt ist. Die Dichte an den Kernen der Schwarzen Löcher ist so hoch, dass sie im Wesentlichen unendlich wird. Insbesondere nähert sich das Volumen (der Raum, den ein Schwarzes Loch und seine verborgene Masse einnehmen) Null an. Das heißt, es ist nicht viel mehr als ein winziger Punkt im Raum, aber dieser winzige Punkt, der als Singularität bezeichnet wird, enthält eine unglaubliche Menge an Masse. Das macht es unglaublich dicht. Diese Dichte ist über die gesamte Region des Schwarzen Lochs verteilt, von der Singularität bis zum Ereignishorizont (dem Punkt, an dem die Schwerkraft des Schwarzen Lochs zu stark ist, als dass irgendetwas Widerstand leisten könnte). 

Ein Modell eines Schwarzen Lochs, umgeben von erhitztem ionisiertem Material. So könnte das Schwarze Loch in der Milchstraße aussehen. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

Das hört sich so an, als könnte das Innere des Schwarzen Lochs (jenseits des Ereignishorizonts) unglaublich zermalmt werden, ohne Platz. Interessanterweise gibt es ein Gedankenexperiment, das besagt, dass die durchschnittliche Dichte supermassereicher Schwarzer Löcher tatsächlich geringer sein kann als die Luft, die Menschen atmen. In der Tat, je größer die Masse, desto weniger Das supermassereiche Schwarze Loch ist dicht, wenn man das gesamte Volumen der Fläche von der Singularität bis zum Ereignishorizont betrachtet. Die Masse würde in dieser Region verteilt sein, mit mehr Masse in der Singularität als in den "Außenbezirken". 

Wenn das wahr ist, dann wäre es nicht nur möglich, sich einem supermassiven Schwarzen Loch zu nähern, man könnte theoretisch in ein supermassives Schwarzes Loch fallen und einige Zeit überleben, bis man sich der Singularität nähert. Es gibt jedoch ein großes Problem: die Schwerkraft. Es ist so stark, dass alles, was am Ereignishorizont vorbeizieht, durch die extreme Anziehungskraft zerrissen wird. Soviel zum Wurmloch-Reisen! 

Wie bilden sich supermassive schwarze Löcher??

Die Bildung von supermassiven Schwarzen Löchern ist immer noch eines der Geheimnisse der Astrophysik. Normale Schwarze Löcher sind die Kernreste der Supernova-Explosion eines massereichen Sterns. Je massereicher der Stern ist, desto massereicher ist das zurückgelassene Schwarze Loch.

Man könnte daher annehmen, dass supermassive Schwarze Löcher durch den Zusammenbruch eines supermassiven Sterns entstehen. Das Problem ist, dass nur wenige solche Sterne entdeckt wurden. Außerdem sagt uns die Physik, dass sie überhaupt nicht existieren sollten. Sie tun es jedoch. Die massereichsten Sterne sind Dutzende bis Hunderte von Sonnenmassen. Einige seltene Hypergiganten können bis zu 300 Sternmassen haben. Trotzdem sind selbst diese Monster weit entfernt von den Arten von Massen, die nötig wären, um ein supermassives Schwarzes Loch zu erschaffen. Um es auf den Punkt zu bringen: Es wird VIEL mehr Masse benötigt, um ein supermassereiches Schwarzes Loch herzustellen, als es selbst in den supermassereichsten Sternen enthalten ist. 

Die Kollision zweier Schwarzer Löcher - ein ungeheuer starkes Ereignis, das das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) zum ersten Mal jemals entdeckt hat - ist in diesem Bild aus einer Computersimulation ersichtlich. LIGO entdeckte Gravitationswellen oder Wellen in Raum und Zeit, die erzeugt wurden, als die schwarzen Löcher aufeinander zu spiralförmig zulauften, kollidierten und verschmolzen. Diese Simulation zeigt, wie die Fusion für uns aussehen würde, wenn wir uns für einen genaueren Blick in einem Raumschiff fortbewegen könnten. Es wurde durch Lösen von Gleichungen aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie unter Verwendung der LIGO-Daten erstellt. LIGO / CalTech

Also, wenn diese Objekte nicht in der traditionellen Weise von anderen Schwarzen Löchern erzeugt werden, woher kommen dann die schwarzen Monsterlöcher? Die Hauptidee ist, dass sie als viel kleinere Schwarze Löcher gebildet werden, um große zu bauen. Schließlich würde der Aufbau von Masse zur Schaffung eines supermassiven Schwarzen Lochs führen. Das ist eine hierarchische Theorie des Aufbaus eines supermassiven Schwarzen Lochs. Es gibt einige Probleme mit dieser Theorie, weil sie die Untersuchung von supermassiven Schwarzen Löchern mit "mittlerer Masse" erfordert. Sie wären der "Zwischenschritt" von kleineren Schwarzen Löchern zu den supermassiven Monstern. Astronomen beginnen, mehr von diesen zu entdecken und ihre besonderen Eigenschaften zu untersuchen, um die Lücken in der hierarchischen Theorie zu füllen. 

Schwarze Löcher, der Urknall und Fusionen

Eine andere führende Theorie über die Entstehung von supermassiven Schwarzen Löchern besagt, dass sie sich in den ersten Augenblicken nach dem Urknall gebildet haben. Natürlich ist nicht alles über die Bedingungen während dieser Zeit vollständig bekannt, um herauszufinden, wie schwarze Löcher eine Rolle spielten und was ihre Entstehung anspornte. 

Beobachtungen der bekannten supermassiven und mittleren Schwarzen Löcher legen nahe, dass die Fusionstheorie wahrscheinlich die einfachste Erklärung ist. Die Untersuchung der ältesten, am weitesten entfernten und massereichsten supermassereichsten Schwarzen Löcher, insbesondere der Quasare, zeigt, dass die Verschmelzung vieler Galaxien eine Rolle gespielt hat. Wenn Galaxien verschmelzen, scheinen es auch ihre Schwarzen Löcher zu tun. Fusionen spielen eine Rolle bei der Gestaltung der Galaxien, die wir heute sehen, und daher ist es sinnvoll, dass ihre zentralen Schwarzen Löcher für die Fahrt mitkommen und mit den Galaxien mitwachsen. Interessanterweise senden diese Schwarzen Löcher, wenn sie verschmelzen, viel Energie aus. Die Aktion sendet auch Gravitationswellen aus, die die Astronomen gerade messen können.

Wenn Fusionen die Antwort sind, bieten sie eine Teillösung für das Problem der mittleren Schwarzen Löcher. In beiden Fällen ist die Antwort noch nicht klar. Es muss noch viel mehr Arbeit geleistet werden, um Galaxien und ihre Schwarzen Löcher zu beobachten und zu charakterisieren.

Wissenschaft in der Science Fiction

Zurück zu Science Fiction und Schwarzen Löchern, es gibt Eigenschaften, die den Verstand, den Schriftsteller benutzt haben, völlig biegen. Geschichten über Reisen, interstellare Reisen und Zeitreisen durchziehen Science-Fiction-Romane. Es gibt sogar Theorien, dass Schwarze Löcher Tore zu alternativen Universen sind.

Zwei Raumschiffe dringen in ein Wurmloch im Weltall ein, um zu einem Universum in einem anderen Teil der Galaxie zu gelangen. Corey Ford / Stocktrek Images

Gibt es also Anhaltspunkte für eine dieser Ideen? Eigentlich ja, wenn auch nur unter extremen Umständen. Die Idee, Schwarze Löcher als Wurmlöcher zu verwenden, die uns irgendwie mit der anderen Seite des Universums verbinden, gibt es schon seit Jahrzehnten. Es ist eine großartige und phantasievolle Fantasie, die wahrscheinlich nicht so schnell Wirklichkeit werden wird.

Die Möglichkeiten wurden sogar unter Verwendung von seriöser Physik und allgemeiner Relativitätstheorie berechnet. Theoretisch könnten diese Dinge also passieren, wie im Film von 2014 gezeigt wurde Interstellar. Der Physiker, der mit den Filmemachern zusammenarbeitete, hatte einige theoretische Ideen, die den Film unterstützten und wissenschaftlich arbeiteten. Die erforderliche Technologie ist jedoch immer noch nicht verfügbar, und eine Vielzahl von Sonderbedingungen muss erfüllt werden. Aber wer weiß - ein Großteil der Technologie, die der Mensch heute zum Fliegen einsetzt, wurde einst für unmöglich gehalten. 

Kurzinformation

• Supermassive Schwarze Löcher existieren im Herzen vieler Galaxien, einschließlich der Milchstraße.
• Einige Galaxien, wie die Andromeda-Galaxie, haben möglicherweise mehr als eines dieser Monster.
• Wenn Galaxien verschmelzen, können auch ihre Schwarzen Löcher verschmelzen.
• Supermassive Schwarze Löcher können bis zu Milliarden von Sternenmassen enthalten.
• Unsere eigene Milchstraße hat ein supermassereiches Schwarzes Loch namens Schütze A *

Quellen

• Mohon, Lee. "Supermassive Schwarze Löcher wachsen aus ihren Galaxien heraus." NASA, NASA, 15. Februar 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-the-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. "Sich darauf konzentrieren, wie sich supermassive schwarze Löcher gebildet haben." Scientific American, 29. September 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• “Supermassives Schwarzes Loch | KOSMOS." Zentrum für Astrophysik und Supercomputing, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive Schwarzes Loch.

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.