JUNGES UNIVERSUM
Strikte Diät für erste Schwarze Löcher
von Stefan Deiters
astronews.com
17. August 2009

Mit Hilfe von umfangreichen Computersimulationen haben Astronomen jetzt versucht, dem Schicksal der ersten Schwarzen Löcher im Universum auf die Spur zu kommen. Zu ihrer Überraschung stellten sie dabei fest, dass diese ersten Schwerkraftfallen offenbar nicht wie erwartet sehr schnell wachsen konnten, sondern nur ganz allmählich massereicher wurden. Ihr Einfluss auf ihre Umgebung war aber trotzdem enorm.

Ausschnitt aus der Computersimulation: Röntgenstrahlung des Schwarzen Lochs (weiß) erhitzt das umgebende Gas (blau).  Bild: KIPAC / SLAC / M. Alvarez, T. Abel und J. Wise

"Die ersten Sterne waren deutlich massereicher als die Sterne, die wir heute beobachten können und erreichten oft Massen, die der über 100-fachen Masse unserer Sonne entsprechen", erläutert John Wise vom Goddard Space Flight Center der NASA, einer der an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler. "Zum ersten Mal konnten wir simulieren, was mit dem Gas um diese Sterne herum passiert und zwar vor und nachdem sie zu einem Schwarzen Loch wurden."

Dabei stellte sich heraus, dass die starke Strahlung der Sternenriesen einen entscheidenden Effekt auf das Gas in ihrer Umgebung hatte: "Diese Sterne sorgten quasi dafür, dass das meisten Gas um sie herum verschwand", erklärt Wise. Zudem beendete ein Teil dieser Riesensonnen ihr nukleares Leben nicht als eindrucksvolle Supernova, sondern kollabierte direkt zu einem Schwarzen Loch.

Die so entstandenen Schwarzen Löcher befanden sich nun in einem nahezu gasleeren Bereich, so dass sie nur sehr langsam weiter wachsen konnten. "Während der ersten 200 Millionen Jahre unserer Simulation wuchs ein Schwarzes Loch mit der 100-fachen Masse der Sonne um weniger als ein Prozent", beschreibt Marcelo Alvarez vom Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology das Resultat. Alvarez leitete die Untersuchung und ist auch Hauptautor eines Fachartikels, der in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters erscheinen wird.

Die jetzt vorgestellten Simulationen sind die detailliertesten Modellierungen dieser Phase im jungen Universum. Die Anfangsbedingungen wurden mit Hilfe von Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung festgelegt, die aus einer Zeit von etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall stammt. In der Simulation werden Hydrodynamik, chemische Reaktionen, Absorption und Emission von Strahlung sowie Sternentstehung berücksichtigt.

So ist zu verfolgen, wie sich Gas langsam durch die Schwerkraft zusammenfindet und die ersten Sterne entstehen. Diese massereichen ersten Sonnen leuchteten für kurze Zeit außerordentlich hell. Sie sandten dabei so viel Energie aus, dass sämtliche Gaswolken aus ihrer Umgebung verschwanden. Lange lebten diese ersten Sterne aber nicht: Bald ging der nukleare Brennstoff zu Ende. Sie kollabierten zu Schwarzen Löchern, die sich dann allerdings in einer Umgebung befanden, in der es kaum Material mehr gab, das das Schwarze Loch hätte aufnehmen können.

Trotzdem hatten diese Schwarzen Löcher einen wichtigen Effekt auf ihre Umgebung: Dies wurde in der Simulation durch die Berücksichtigung von Röntgenstrahlung aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs deutlich, die weiter entferntes Gas beeinflussen konnte. Sie sorgte nicht nur dafür, dass sich dieses Gas nicht in Richtung des Schwarzen Lochs bewegte, sondern konnte das bis zu 100 Lichtjahre entfernte Gas auf Temperaturen von mehren Tausend Grad Celsius erhitzen.

In heißem Gas aber können keine Sterne entstehen: "Obwohl die Schwarzen Löcher kein signifikantes Wachstum zeigen, ist die von ihnen ausgehende Strahlung doch stark genug, um Sternentstehung in ihrer Umgebung für zehn oder gar 100 Millionen Jahre zu unterbinden", fasst Alvarez die Bedeutung der Ergebnisse zusammen. Schwarze Löcher im jungen Universum hatten somit eine überraschend vielfältige Rolle bei der Entstehung von Strukturen im All.