Nach einer etwas längeren Weihnachtspause geht es mit der montäglichen “Fragen zur Astronomie”-Serie weiter. Und heute geht es wieder einmal um die Objekte, über die es die meisten Fragen zu geben scheint: Schwarze Löcher! Im Zentrum unserer Milchstraße sitzt ein besonders großes Exemplar dieser seltsamen Himmelskörper. Seine Masse ist ein paar Millionen mal größer als die Masse unserer Sonne und damit gehört es noch zu den kleineren dieser sogenannten supermassereichen schwarzen Löcher. Man findet sie im Zentrum jeder großen Galaxie und einige von ihnen haben Massen, die viele hundert Milliarden Mal größer sind als die unserer Sonne. Aber warum? So lautet die heutige Frage: Warum befindet sich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches schwarzes Loch?
Eigentlich ist die Antwort darauf sehr einfach: Keine Ahnung! Aber solche Antworten sind natürlich unbefriedigend und darum möchte ich zumindest erklären, warum wir keine Ahnung haben und wie eine mögliche Antwort vielleicht irgendwann aussehen könnte.
Künstlerische Darstellung eines supermassereichen schwarzen Lochs (Bild: ESO/M. Kornmesser)
Um herausfinden zu können, warum die supermassereichen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien sitzen, muss man zuerst einmal verstehen, wie diese Himmelskörper entstehen. Und genau das ist das Problem. Das weiß nämlich noch niemand. Die Entstehung dieser riesigen schwarzen Löcher ist immer noch ungeklärt und Bestandteil der aktuellen astronomischen Forschung.
Wie die viel kleineren stellaren schwarzen Löcher entstehen, wissen wir mittlerweile recht gut. Ich habe das früher schon hier oder hier erklärt: Wenn ein großer Stern mit dem Vielfachen der Sonnenmasse am Ende seines Lebens keinen Brennstoff mehr hat und unter seinem eigenen Gewicht kollabiert, wird der Sternenrest dabei so kompakt, dass ein schwarzes Loch entsteht. Es ist dann so viel Materie auf so kleinem Raum zusammengedrängt, dass seine Anziehungskraft hinter einer bestimmten Grenze – dem “Ereignishorizont” – so groß wird, das nichts mehr aus diesem Bereich entkommen kann; auch kein Licht.
Aber diese schwarzen Löcher sind höchstens ein paar Dutzend Sonnenmassen schwer. Sie entstehen ja aus Sternen und können daher auch nicht schwerer sein, als es die Sterne selbst waren. Ein supermassereiches schwarzes Loch kann nicht auf die gleiche Weise entstehen, denn dazu bräuchte es Sterne, die ein paar Millionen oder Milliarden mal schwerer sind als die Sonne und die kann es nicht geben. Wird ein Stern zu schwer (die Grenze liegt in der Gegend von etwa 300 Sonnenmassen), dann brennt er auch so enorm heiß, dass er durch seine eigene starke Strahlung auseinander gerissen wird. Ein supermassereiches schwarzes Loch muss also auf einem anderen Weg entstehen.
Es könnte zum Beispiel langsam wachsen. In den Zentren der Galaxien stehen die Sterne besonders dicht. Ein normales schwarzes Loch könnte mit einem anderen kollidieren und verschmelzen. Und dann mit weiteren schwarzen Löchern und Sternen zusammenstoßen und immer weiter wachsen. Aber das braucht Zeit und wir wissen aus astronomischen Beobachtungen, dass die supermassereichen schwarzen Löcher schon recht früh im Universum aufgetaucht sind. Man findet sie schon in Galaxien, die nur wenige Milliarden Jahre alt (oder noch jünger) sind und das ist eigentlich nicht genug Zeit, damit sie Stück für Stück auf ihre gigantische Größe wachsen hätten können. Und man müsste in diesem Fall auch nicht nur kleine stellare schwarze Löcher und große supermassereiche schwarze Löcher finden, sondern auch schwarze Löcher mit allen möglichen Massen dazwischen. Aber von diesen Objekten hat man bis jetzt kaum welche entdeckt.
Es gibt noch diverse andere Hypothesen, die vom Kollaps riesiger Gaswolken bis hin zu einer Entstehung direkt beim Urknall selbst reichen. Aber so richtig überzeugend ist bis jetzt noch keine von ihnen. Am besten scheinen noch Modifikationen der Wachstumstheorie zu funktionieren. Durch das Verschlucken von einzelnen Sternen kann ein supermassereiches schwarzes Loch wohl tatsächlich nicht entstehen. Aber es kann sich vielleicht auch ab und zu einen etwas größeren Happen einverleiben – und zwar dann, wenn zwei Galaxien kollidieren.
Auch das kommt regelmäßig vor und was dabei passiert, kann man mittlerweile sehr gut im Computer simulieren. Die beiden Galaxien verschmelzen dabei zu einer großen Galaxie und durch die gravitative Wechselwirkung werden die beiden schwarzen Löcher in ihren Zentren (die dort vielleicht schon langsam durch das Verschlucken einzelner Sterne gewachsen sind) in das Zentrum der neu entstandenen Galaxie sinken. Und dann wird es kompliziert: Ein schwarzes Loch ist oft von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, also einer Scheibe aus Gas und Staub. Dem ganzen Material also, dass in den gravitativen Einflussbereich des Lochs geraten ist, und sich nun darum herum bewegt, bevor es irgendwann endgültig hinein fällt. Bei dieser Bewegung entsteht in der Scheibe jede Menge Strahlung (und diese Strahlung können wir auch beobachten und sie ist es, die uns die Existenz der schwarzen Löcher verrät). Verschmelzen nun die beiden schwarzen Löcher, dann kommen sich auch ihre Akkretionsscheiben in die Quere. Dabei können die Scheiben destabilisiert werden, komplett in das neue schwarze Loch stürzen und so seine Masse auf einen Schlag enorm erhöhen. Das zumindest war das Ergebnis von Computersimulationen, die im Jahr 2013 durchgeführt worden sind (Link zur Facharbeit). So sieht das im Computermodell aus:
Wir wissen also immer noch nicht, wie die supermassereichen schwarzen Löcher entstehen. Wir haben ein paar Ideen, aber noch zu wenig Beobachtungsdaten, um tatsächlich sicher sein zu können. Wir wissen allerdings, dass die riesigen und seltsamen Himmelskörper enorm wichtig für die Entwicklung von Galaxien sind. Durch ihre Interaktion mit dem interstellaren Gas können sie die Entstehung neuer Sterne verhindern oder auch anregen. Je mehr Daten über Galaxien gesammelt werden, desto klarer wird, dass sich ihr Einfluss nicht nur auf das Zentrum sondern die gesamte Galaxie erstreckt.
Die Astronomen werden also mit Sicherheit nicht aufhören, über die Entstehung der supermassereichen schwarzen Löcher nachzudenken. Und irgendwann wird es dann auch eine Antwort auf die Frage geben und wir werden wissen, warum im Zentrum jeder Galaxie ein riesiges schwarzes Loch sitzt.
Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.
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