Schwarze Löcher. Man könnte ganze Bücher über die Dinger schreiben. Man hat ganze Bücher über die Dinger geschrieben! Und wir mit Sicherheit noch jede Menge mehr Bücher schreiben. Schwarze Löcher gehören nicht nur zu den astronomischen Objekten an denen die Öffentlichkeit am meisten interessiert ist, es sind auch diejenigen Himmelskörper die Wissenschaftler immer noch vor haufenweise ungelöste Rätsel stellen. Und dabei meine ich jetzt gar nicht mal die ganzen quantenmechanisch-kosmologischen Fragen die so lange unbeantwortet bleiben werden bis wir eine Theorie der Quantengravitation haben. Sondern auch so simple Fragen wie: „Wie entstehen die schwarzen Löcher eigentlich?“.
Bei den kleineren schwarzen Löcher wissen wir das mittlerweile recht gut. Sie entstehen wenn ein großer Stern am Ende seines Lebens keinen Brennstoff mehr hat und unter seinem eigenen Gewicht immer weiter in sich zusammenfällt. So weit bis seine gesamte Masse auf so kleinem Raum zusammengedrängt ist, dass ein schwarzes Loch entsteht (siehe dazu u.a. hier). So ein schwarzes Loch hat dann logischerweise in etwa die Masse die zuvor der Stern gehabt hat aus dem es entstanden ist.
Es gibt aber auch schwarze Löcher die viel, viel mehr Masse haben. Millionen bis Milliarden mal mehr als unsere Sonne und solche supermassereichen schwarzen Löcher findet man in den Zentren aller Galaxien. Wir wissen das sie dort sind – aber wir wissen immer noch nicht wie sie entstehen.
Wir wissen aus den Beobachtungen allerdings dass die ältesten dieser Riesenlöcher circa 12,8 Milliarden Jahre alt. Das Universum selbst entstand vor 13,8 Milliarden Jahren – und man muss kein großer Mathematiker sein um ausrechnen zu können das diese supermassereichen schwarzen Löcher irgendwann während der ersten Milliarde Jahre unseres Universums entstanden sein müssen.
Die ersten Sterne gab es schon ziemlich bald nach dem Urknall, ein paar hundert Millionen Jahre später. Und diese ersten Sterne waren vergleichsweise riesig und lebten daher nur kurz. Nach ihrem Kollaps könnten aus ihnen schwarze Löcher mit ungefähr der 100fachen Sonnenmasse entstehen. Bis zu den Millionen Sonnenmassen der supermassereichen Löcher fehlt da aber noch einiges. Diese ganze restliche Materie müssen die Löcher also ziemlich schnell und ziemlich früh in der Geschichte des Universums eingesammelt haben. Die Frage die sich nun stellt lautet: Warum sehen wir nichts davon?
Blöde Frage, könnte man meinen. Immerhin sind es schwarze Löcher. Also Objekte die per Definition kein Licht abstrahlen und absolut gar nichts entkommen lassen. Das ist zwar richtig – heißt aber nicht dass die Dinger unsichtbar sind. Also eigentlich schon – aber ihre Umgebung sollte es nicht sein. Wenn Material auf ein schwarzes Loch fällt, dann tut es da so schnell dass es sich enorm stark aufheizt. Außerdem tut es das nicht in direkter Linie sondern auf spiralförmigen Bahnen. Es bildet sich also eine schnell rotierende Scheibe um das Loch die enorm hell leuchtet weil das Material dort entsprechend stark aufgeheizt wird.
Wenn da also im jungen Universum jede Menge schwarze Löcher Materie fressen dann sollten wir etwas davon sehen. Auf jeden Fall im Röntgenlicht, das dort besonders gerne erzeugt wird und das auch über weite Distanzen gut sichtbar ist. Nur sehen wir nix und das ist eines der vielen Probleme mit den schwarzen Löchern die Wissenschaftler gerne gelöst hätten. Unter anderem Edwige Pezzulli von der Universität Rom und ihre Kollegen. Sie haben zu diesem Zweck einen Fachartikel veröffentlicht („Faint progenitors of luminous z∼6 quasars: why don’t we see them?“) und sich die Sache mal angesehen.
(Künstlerische Darstellung: NASA/CXC/M.Weiss)
Bevor wir das auch tun sollten wir uns aber noch kurz dem „Eddington-Limit“ widmen. Denn die Strahlung die aus der Scheibe nach außen dringt erzeugt einen ebenso nach außen gerichteten Druck der der nach innen drückenden Gravitationskraft entgegen wirkt. Wird die Umgebung des schwarzen Lochs zu hell und heiß, dann wird dieser Strahlungsdruck so groß, dass das Material nach außen wegfliegt anstatt ins schwarze Loch zu fallen (was kein Widerspruch zur Definition eines schwarzen Lochs ist – es geht hier ja um Zeug das sich außerhalb des Lochs befindet). Ein schwarzes Loch kann also nicht beliebig viel Materie fressen; und die Menge an Material wird durch das Eddington-Limit begrenzt. Zumindest in einem idealisierten Fall bei dem alles schön sphärisch symmetrisch ist, was zwar eine gute Näherung für einen Stern ist (bei dem das Gleichgewicht von Gravitation und Strahlungsdruck ebenfalls wichtig ist) aber nicht für eine Scheibe um ein schwarzes Loch herum. Hier kann die Menge an Material das ins schwarze Loch fällt das Eddington-Limit also auch überschreiten. In dem Fall spricht man von einer „Super-Eddington-Akkretion“.
Warum also könnten wir die wachsenden schwarzen Löcher nicht sehen? Weil irgendwas – zum Beispiel jede Menge kosmische Staubwolken – uns den Blick verstellt. Oder weil es weniger schwarze Löcher gibt als wir denken und wir bis jetzt noch nicht genug Glück bei der Suche hatten. Das sind zwei der vielen Hypothesen die Pezzulli und ihre Kollegen mit theoretischen Modellen untersucht haben und die zumindest prinzipiell wahrscheinlich sein könnten. Allerdings bräuchte man schon viel Pech, wenn wir selbst mit Röntgen-Weltraumteleskopen wie Chandra nix sehen. Und auch die Hypothese das nur ein kleiner Teil der jungen Galaxien supermassereiche schwarze Löcher in ihrem Zentrum hatten stellte sich als eher wenig favorisiert heraus. Stattdessen haben Pezzulli und ihre Kollegen bei ihren Computersimulationen eine andere Hypothese entdeckt.
Und die hat mit dem Eddington-Limit zu tun (was jetzt nicht überraschend kommt da ich ja vorhin schon so ausführlich davon erzählt habe). Die jungen schwarzen Löcher wachsen nicht kontinuierlich sondern nur in vergleichsweise kurzen Phasen in denen eine Super-Eddington-Akkretion stattfindet. Anders gesaht: Die schwarzen Löcher hauen sich während kurzer Fress-Flashes den Wanst so richtig voll und verhalten sich dazwischen ruhig und unauffällig. Und wenn die Dinger nicht kontinuierlich leuchten sondern nur zwischendurch immer mal wieder kurze Helligkeitsausbrüche zeigen, dann ist es kein Wunder wenn wir so große Schwierigkeiten haben, das zu beobachten.
Wie gesagt: Das sind nur Hypothesen die aus Computersimulationen stammen. Am Ende zählt dann doch die Beobachtung. Pezzulli und ihre Kollegen schlussfolgern das wir mehr Beobachtungen brauchen und viel größere Bereiche des Himmels mit Röntgen-Weltraumteleskopen absuchen müssen. Auch wenn die schwarzen Löcher sich nur kurz beim Wachsen beobachten lassen müssten wir zumindest ein paar davon entdecken. Und dann lässt sich auch anhand echter Daten überprüfen ob die Hypothese der kurzzeitig fressenden schwarzen Löcher korrekt ist.
Könnte es auch sein, dass die supermassereichen schwarzen Löcher vor allem andere schwarze Löcher fressen? Das würde mann dann als Gravitationswellen sehen und nicht im sichtbaren Bereich.
Ich meine mich zu erinnern, dass das geplante Weltraum Gravitationswellenobservatorium LISA genau solche Gravitationswellen sehen können soll…
Aus welchem Grund wird denn die Formung der großen schwarzen Löcher durch Kollisionen mit anderen schwarzen Löchern ausgeschlossen?
Je massenreicher die werden, desto größer ist doch auch der Wirkungsradius ihrer Gravitation.
@Sonnenklar: „Aus welchem Grund wird denn die Formung der großen schwarzen Löcher durch Kollisionen mit anderen schwarzen Löchern ausgeschlossen?“
Ich versteh nicht ganz was du meinst. Die „anderen“ schwarzen Löcher müssen ja auch irgendwo her kommen. Und müssen aus den ersten Sternen entstanden sein. Davon gabs aber nicht unendlich viel. Und es kommt äußerst selten (eigentlich nie) vor, dass zwei Sterne – oder eben Sternreste wie SLs – zusammenstoßen. Das was LIGO misst sind iA Schwarze Löcher die schon früher als Sterne Teil eines Doppelsternsystems waren bzw. sich in dichten Sternhaufen befunden haben. Aber mit den Mechanismen kriegst du keine 10^6 Kollisionen zusammen die du bräuchtest um ein supermassereiches SL zu formen.
Tja, wie steigert man „unvorstellbar“? Ein kleiner Stern wie unsere Sonne ist an und für sich schon unvorstellbar, und was fangen wir da erst mit einem Super-Duper-Mega-Giga-Hyperriesen der Population III an?
In den letzten Tagen hat irgendjemand hier irgendwo im Blog kommentiert, dass bei großen Sternen mehr als ein Schwarzes Loch entstehen kann. Nun, falls das so wäre, wieviele Sonnenmassen hätte der Stern gehabt und wieviele Sonnenmassen würden in Schwarzen Löchern verschwinden?
Und vor allem: Gibt es eine unüberschreitbare Grenze für die Größe eines Sterns? Zweihundert Sonnenmassen sollten drin (gewesen) sein, und über tausend Sonnenmassen wurde auch schon spekuliert. Und was wäre, wenn sich in der Frühzeit des Universums Sterne formiert hätten mit 1 Million Sonnenmassen? Oder einer Milliarde? Wie lange hätten deren Kerne Fusion betrieben? Minuten, Sekunden, Nanosekunden? Wie groß oder wie zahlreich wären die resultierenden Schwarzen Löcher geworden?
Bei Wikipedia habe ich gerade nachgelesen, dass SMSS J031300.36-670839.3 als ältester bislang bekannter Stern 13,6 Milliarden Jahre alt ist. Er enthält kaum Eisen und nur sehr wenig andere schwere Elemente. Astronomen werten das als Hinweis darauf, dass die ersten Supernovaexplosionen relativ wenig Energie freisetzten und der überwiegende Teil der schweren Elemente in den dabei entstandenen schwarzen Löchern verschwand.
@Sonnenklar
„Je massenreicher die werden, desto größer ist doch auch der Wirkungsradius ihrer Gravitation.“
Nicht wirklich. Wenn zwei Sterne oder SL zu einem SL verschmelzen, hat das SL hinterher ja nicht mehr Anziehungskraft als die beiden Sterne vorher.
Ich frag einfach mal so drauf los:
„Und wenn die Dinger nicht kontinuierlich leuchten sondern nur zwischendurch immer mal wieder kurze Helligkeitsausbrüche zeigen…“
Könnte ein Zusammenhang zwischen dieser Hypothese und den Fast Radio Burst (FRB) bestehen?
Klar ist Röntgenstrahlund und Radiostrahlung nicht gerade benachbart auf dem Elektromagnetischen Strahlungsspektrum, aber kann eine so starke „Rotverschiebung“ von Röntgenstrahlung in Radiowellen möglich sein, durch die Expansion des Raumes?
Zusammengefasst:
Könnten die FRB, die heutzutags beobachtet werden, die Wachstumsphasen der ersten riesen schwarzen Löcher sein, und die Wellenlänge wurde durch die Expansion so weit gedehnt, dass wir sie heute als Radioausbrüche wahrnehmen?
@Daniel
Nein, das geht nicht. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung ist ja um viele Größenordnungen kleiner, das wäre also ein Rotverschiebungsfaktor von mehr als 1000…
@Martin
Danke für die schnelle Antwort. War auch nur so ein Blitzgedanke 🙂
Was ist denn so der durchschnittliche Faktor, respektive der bisher maximal beobachtete Faktor der Rotverschiebung?
könnte so ein schwarzes Loch nicht hauptsächlich aus Dunkler Materie bestehen? Wenn DM in ein SL fällt, sieht man doch nichts, oder?
@pane: Das „dunkle“ in dunkle Materie führt leider oft zu dieser Verwirrung. Aber es ist egal aus welcher Materie ein schwarzes Loch besteht. Es ist nicht deswegen schwarz weil es – so wie dunkle Materie nicht mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt (deswegen wäre eigentlich „durchsichtige Materie“ ein besserer Name) sondern weil bei einem schwarzen Loch enorm viel Masse auf enorm kleinem Raum konzentriert ist und deswegen die Anziehungskraft so stark ist das nichts entkommen kann.
@pane
Dunkle Materie fällt nicht so leicht in ein schwarzes Loch, weil dieses ein kleines Ziel ist und Dunkle Materie sich nicht verdichten mag. Sie kann keine Energie durch Reibung in einer Akkretionsscheibe verlieren. Deswegen wird sie zwar von einem schwarzen Loch angezogen, dabei aber auch beschleunigt. Wenn sie nicht schnurgerade in das schwarze Loch hineinfällt (was eben schwierig bei einem so kleinen Ziel ist), dann wird sie auf eine krumme Bahn gelenkt und es treten Fliehkräfte auf, die sie daran hindern, dem schwarzen Loch nahe zu kommen.
Das gilt grundsätzlich auch für normale Materie, nur kann die eine Gas- und Staubscheibe bilden, die einfallende, weitere Materie abbremst, wenn diese die Scheibe trifft. Dunkle Materie kann das aber nicht, ihr fehlen die elektromagnetischen Wechselwirkungen. Deswegen kann sie keine Verdichtungen bilden und auch keine Akkretionsscheiben, bzw. würde sie von einer Akkretionsscheibe aus normaler Materie nicht abgebremst. Sie würde auch durch die Erde hindurch fliegen, wie die Neutrinos, nur langsamer. Einem schwarzen Loch entkäme sie zwar nicht, aber eben nur, wenn sie schnurgerade darauf zu fiele. Die kleinste Eigenbewegung zur Seite, und sie würde das schwarze Loch verfehlen.
@Daniel
Ich glaube, so Größenordnung z=10 oder so…
@Florian
Ich glaube, die Idee war, dass dunkle Materie, die in ein SL fällt, auch nicht strahlen kann und man deswegen auch nichts sieht, wenn die reinfällt.
@Martin B
Das stimmt zwar, aber ohne einen Mechanismus zur Verdichtung der dunklen Materie käme nicht genug zusammen, um ein supermassives schwarzes Loch in hinreichend kurzer Zeit wachsen zu lassen. Baryonische Materie fällt weitaus effizienter in ein schwarzes Loch als dunkle Materie.
@Alderamin
Da hast du natürlich wie immer recht…
Wie immer ein schöner und interessanter Blogeintrag.
Mit vielen Anregungen, weiter eine Suchmaschine zu bemühen.
Dankesehr dafür.
Dr. Freistetter: “ Und diese ersten Sterne waren vergleichsweise riesig und lebten daher nur kurz. Nach ihrem Kollaps könnten aus ihnen schwarze Löcher mit ungefähr der 100fachen Sonnenmasse entstehen.“
Gibt es eigentlich eine grobe Abschätzung, wie das Massenverhältnis eines Sternen“restes“ (SL, Neutronenstern, weißer Zwerg) zur abgestoßenen Hülle ist?
„Gibt es eigentlich eine grobe Abschätzung, wie das Massenverhältnis eines Sternen”restes” (SL, Neutronenstern, weißer Zwerg) zur abgestoßenen Hülle ist?“
Der absolut größte jemals entdeckte Stern hat 1300 Sonnenmassen. Was aber eine absolute Ausnahme ist. Sonst werden sie nicht über 400 Sonnnenmassen. Was aber auffällt: die großen Sonnen finden sich fast immer in Doppelsternsystemen. Heißt wohl, dass sie eigentlich noch größer wären, aber vom Strahlungsdruck geteilt wurden (meine Hypothese).
Wenn nun das größte bei einer Supervova entstehende SL etwa 100 Sonnenmassen hat, kann man da ein Verhältnis bilden. Das meiste fliegt weg.
@Artur57: HR5171 hat nicht 1300 Sonnenmassen, sondern den 1300fachen Durchmesser unserer Sonne.
Seine Masse ist nur etwa 39 Sonnenmassen.
Die schwersten bekannten Sterne liegen meines Wissens so etwa bei 150 Sonnenmassen.
@Artur57
nicht 1300 Sonnenmassen, sondern den 1300-fachen Durchmesser der Sonne.
V766 Centauri, auch bekannt als HR 5171 (Wikipedia):
@Bjoern: Knapp daneben. Es ist ein bisschen mehr als das doppelte.
Von R136a1 wird angenommen, dass er zu Beginn seines Lebens 320 Sonnenmassen hatte, wovon jetzt noch 265 übrig sind.
@MartinB
Das hatte ich auch nicht gemeint. Ich meinte die Ansammlung von Masse über längere Zeit und viele schwarze Löcher und nicht eine Masseänderung durch eine Kollision.
Aber Florian hats schon beantwortet. Daß Kollisionen zwischen schwarzen Löchern selten sind kommt für mich überraschend. Ich nahm an: je massereicher eins ist, desto größer die Chance Andere zu beeinflussen und eventuell zu kollidieren.
@SonnenKlar:
Sie sind aber auch ziemlich klein, und das Universum ist wirklich groß.
@Bjoern, Paul,
richtig, hätte ich genauer lesen müssen.
@Gono: Danke für die Info. Soweit ich verstehe, sind die 150 Sonnenmassen, die ich im Kopf hatte, kein Beobachtungsergebnis, sondern eine _theoretische_ Obergrenze. Dass ein paar noch massivere Sterne existieren, konnte noch nicht erklärt werden, oder?
@Artur57:
Ich denke eher, dass große Sterne deshalb häufig in Doppelsternsystemen zu finden sind, weil sie aus sehr dichten Gaswolken entstanden sind, die eben auch viel Material für weitere Sterne enthalten haben. Außerdem ist ja die gravitative Einflusssphäre eines Massiven Sterns größer.
Nicht zu vergessen, dass sowieso die Mehrheit aller Sterne in Mahrfachsystemen stecken (50% Doppelstern, 20% Einzelstern, der Rest Mehrfachsystem mit >2 Sternen).
@Artur57
Doppelsterne wie auch Planeten entstehen nicht, weil das einfallende Gas vom Strahlungsdruck weggedrückt würde (das passiert erst später, erzeugt aber keine Objekte), sondern weil der Drehimpuls des einfallenden Gases irgendwo untergebracht werden muss. Deswegen formen sich mehrere Akkretionszentren, die aufgrund wechselseitig Anziehung und Fliehkräften in Orbits umeinander gehalten werden.
Die Alternative wäre ein Stern, der sich rasend schnell dreht, bis er auseinanderfliegt, aber dazu kommt es gar nicht erst.
@Florian
Weil es gerade passt: hier wurde ein supermassives schwarzes Loch beim Verstecken ertappt (wenn auch kein junges, aber der Mechanismus ist derselbe). Sehr cooles Spektralbild.
@MartinB, Sonnenklar:
Genau. Es hat sogar weniger Gravitation. Und wahrscheinlich auch eine ordentliche Beschleunigung durch den Rückstoß erfahren, was weitere Fusionen deutlich erschwert. Daher denke ich, dass ein solcher Mechanismus zum Entstehen supermassiver SL nicht infrage kommt.
Absolut faszinierend, das Thema. Echt. Ebenso derlei Beiträge. Is so!
Gleichzeitig stelle ich mir auch immer die Frage, warum wir das Alles wissen müssen? Und wieso wir Mrd. dafür ausgeben, um es zu wissen; wenn gleichzeitig an anderer Stelle die Notwendigkeiten existentiell sind.
Hat es uns 1mm geholfen, wenn das Klima zusammenbricht?
@Smamap: „Gleichzeitig stelle ich mir auch immer die Frage, warum wir das Alles wissen müssen? Und wieso wir Mrd. dafür ausgeben, um es zu wissen; wenn gleichzeitig an anderer Stelle die Notwendigkeiten existentiell sind.“
Die Antwort darauf ist die gleiche wie auf die Frage: „Warum müssen wir Bücher schreiben?“ Oder „Warum müssen wir Musik komponieren?“. „Wer braucht Theater?“. Brauchen wir alles nicht zum Überleben. Aber wir brauchen es zum Menschsein. Wir Menschen sind Menschen auch weil wir neugierig sind und die Welt verstehen wollen.
„Hat es uns 1mm geholfen, wenn das Klima zusammenbricht?“
Das ist Grundlagenforschung. Und die kann alles mögliche machen. Vielleicht nichts. Vielleicht hilft uns aber die Beschäftigung mit hochenergetischen Phänomenen im jungen Universum auch irgendwann mehr über die Energie an sich zu verstehen und neue Energiequellen nutzbar zu machen die uns helfen den Klimawandeln einzudämmen. Weiß man nicht. Deswegen macht man Grundlagenforschung… Die Geschichte zeigt dass dieses Konzept höchst erfolgreich ist. Als Max Planck vor über 100 Jahren komplett abstrakte Gedanken über ein komplett abstraktes Problem der Schwarzkörperstrahlung hatte hat auch niemand damit gerechnet das wir heute damit – unter anderem – Sonnenenergie nutzbar machen können…
@Smamap
„“Hat es uns 1mm geholfen, wenn das Klima zusammenbricht?““
Naja zumindest gibt die Wissenschaft uns einen Anhaltspunkt. Und wir müssen nicht in Kollektives Beten und Feuer machen für unsere Gott verfallen.
@Smamap:
Du hättest ja einen guten Beitrag leisten können indem Du keine internetfähigen Geräte gekauft hättest. 😉
Spaß beiseite: Durch Dein Interesse hast auch Du gezeigt, dass diese Forschung auch dann richtig war, wenn nichts außer interessantem Wissen dabei raus käme.
@Smamap, Florian
Berühmt geworden ist ein Zitat des früheren Fermilab-Leiters (Fermilab ist ein Teilchenbeschleuniger), als er die millionenschwere Investition des Fermilabs gegenüber einer Frage aus dem US-Kongress rechtfertigen sollte, was die Maschine zur Verteidigung der USA beitrüge.
Er sagte sinngemäß, dass er nicht glaube, dass das mit der Maschine erlangte Wissen direkt zur Verteidigung beitrüge, aber dass es dazu beitrüge, das Land verteidigenswert zu machen.