Seltsame Schwarze Löcher könnten Geheimnisse des frühen Universums enthüllen

Große Schwarze Löcher befinden sich möglicherweise nicht immer im Herzen massereicher Galaxien. Aktuelle Beobachtungen (und Computermodelle) deuten darauf hin, dass einige davon in den Zentren von Zwerggalaxien gefunden werden.

Alfred Pasieka/Science Photo Library/Getty Images Plus

Von Ashley Yeager

vor 11 Stunden

Ein Schwarzes Loch im Herzen unserer Galaxie ist ein hungriges Monster. Diese superdichte Materiegrube wiegt bis zu 4 Millionen Sonnen. Die Anziehungskraft seiner Schwerkraft ist so stark, dass es fast alles um sich herum verschluckt hat. Und es wird immer kräftiger, je mehr es frisst. In diesem Sinne ähnelt das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße stark dem mythischen Kammapa des Sotho-Volkes im südlichen Afrika.

Aber es ist nicht allein.

Ähnliche supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren fast aller bekannten Galaxien. Jeder von ihnen hat eine Masse, die Tausende, Millionen – manchmal sogar Milliarden Mal so groß ist wie die unserer Sonne. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass solche kosmischen Kammapas nur in großen Galaxien zu finden seien. Schließlich ging man davon aus, dass nur massereiche Galaxien genug Materie hätten, um diese Tiere zu ernähren.

Wie falsch die Wissenschaftler lagen.

Vor etwa zwei Jahrzehnten begannen Computermodelle der frühesten Schwarzen Löcher Kuriositäten zu entdecken. In diesen Modellen tauchten große Schwarze Löcher dort auf, wo sie nicht erwartet wurden. Viele Wissenschaftler hielten diese Außenseiter für Zufall. Aber andere waren sich nicht so sicher. Sie meinten, solche Sonderlinge sollten nicht ignoriert werden.

Jetzt haben Teleskope Anzeichen für mehrere seltsame Schwarze Löcher entdeckt. Dazu gehören massereiche Galaxien in den kleinsten Galaxien. Überraschenderweise scheinen einige dieser Schwarzen Löcher nicht einmal im Kern ihrer Galaxien zu sitzen. Noch faszinierender ist, dass Astronomen Hinweise auf Schwarze Löcher entdeckt haben, die an den Rändern ihrer Galaxien entlangwandern. In seltenen Fällen sieht es bei einigen so aus, als würden sie ganz aus ihren Galaxien geworfen.

Aber vielleicht sind diese Schwarzen Löcher nicht nur Spinner. Vielleicht sind sie tatsächlich große Akteure in der Geschichte unseres Universums. Wenn ja, könnten sie dabei helfen, eines der größten Geheimnisse überhaupt zu erforschen. Wie haben sich diese kosmischen Kammapas entwickelt?

Unser aktuelles Verständnis darüber, wie Schwarze Löcher so groß werden, geht in etwa so. Im frühen Universum gab es in den Kernen von Babygalaxien kleine Schwarze Löcher. Im Laufe der Zeit wuchsen Galaxien, prallten ineinander und verschmolzen. Dabei nahmen die Galaxien Klumpen neuer Sterne, Gas und Staub auf. In der Zwischenzeit verschmolzen die Schwarzen Löcher in ihren Zentren und ernährten sich von der gesamten neuen Materie.

Infolgedessen wuchsen mit dem Wachstum der Galaxien auch ihre zentralen Schwarzen Löcher.

In diesem Szenario sollte das Schwarze Loch im Zentrum jeder Galaxie etwa ein Tausendstel der Masse ihrer Galaxie haben.

Nicht alle heutigen Galaxien sind so groß wie unsere Milchstraße. Manche „Zwerggalaxien“ haben nur etwa ein Billionstel ihrer Masse. Um so klein zu bleiben, dürfen sie nicht mit vielen anderen Galaxien verschmolzen sein. Das Schwarze Loch jeder Zwerggalaxie wäre wahrscheinlich einer Verschmelzung mit vielen anderen Schwarzen Löchern entgangen.

Nach dieser Logik sollten die Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien verkleinert sein – oder nicht existieren.

Doch Ende der 2000er Jahre begannen Computermodelle, diese Logik in Frage zu stellen.

Diese Modelle zeigten, wie massereiche Schwarze Löcher sich im Laufe der Geschichte des Universums entwickelt haben könnten. Sie zeigten, dass selbst die kleinsten Galaxien große Schwarze Löcher haben könnten – und zwar sofort. Einige dieser Galaxien sind nie gewachsen oder mit anderen verschmolzen. Dadurch blieben die Galaxien für Milliarden von Jahren klein und hatten große Schwarze Löcher.

Die Astronomin Amy Reines fand erste Hinweise auf die Existenz solcher Galaxien. Vor mehr als einem Jahrzehnt untersuchte sie mithilfe von Teleskopdaten eine Zwerggalaxie, die 30 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dort erspähte sie extreme Mengen Radiolicht und helle Röntgenstrahlen. Diese intensive Strahlung signalisierte die Anwesenheit eines riesigen Schwarzen Lochs.

„Das hatte ich noch nie gesehen“, erinnert sich Reines, der jetzt an der Montana State University in Bozeman arbeitet. Wie andere Wissenschaftler war sie davon ausgegangen, dass Zwerggalaxien nicht groß genug seien, um große Schwarze Löcher zu beherbergen.

Doch einige Monate später, im Jahr 2011, besuchte Reines ein Wissenschaftlertreffen. Dort hörte sie die Astrophysikerin Jillian Bellovary sprechen. Bellovary stellte einige neue Modelle der Galaxienentstehung vor. Dies deutete darauf hin, dass selbst dürre Galaxien schwere Schwarze Löcher haben könnten.

Reines war schockiert, als sie feststellte, dass ihre Beobachtungen und Bellovarys Modelle zu übereinstimmen schienen.

Nicht lange danach begann Reines mit der Suche nach weiteren Zwerggalaxien mit übergroßen Schwarzen Löchern. Sie ist Teil eines Teams, das rund 25.000 Zwerggalaxien gescannt hat. Davon schienen 151 ein großes Schwarzes Loch zu beherbergen. Das Team teilte seine Ergebnisse im Jahr 2013 mit.

Wenn Modelle wie das von Bellovary richtig wären, hätten sich die beobachteten Zwerggalaxien mit großen Schwarzen Löchern höchstwahrscheinlich im frühen Universum auf diese Weise gebildet. Seitdem sind sie von Fusionen relativ verschont geblieben.

Wenn das stimmt, könnte uns ein Blick auf diese antiken Relikte etwas über die allererste Generation schwarzer Löcher verraten. Dazu gehören auch solche, die sich schließlich zu den heutigen supermassereichen Monstern entwickelt haben, wie zum Beispiel das im Zentrum der Milchstraße.

Beispielsweise sollte die Masse eines Schwarzen Lochs in einer Zwerggalaxie der Masse einiger der frühesten Schwarzen Löcher ähneln. Die Betrachtung von Schwarzen Löchern in Zwerggalaxien könnte Astronomen also dabei helfen, die Ausgangsmasse der ursprünglichen Schwarzen Löcher herauszufinden. Das wiederum könnte Wissenschaftlern dabei helfen herauszufinden, wie diese ersten Schwarzen Löcher entstanden sind.

Derzeit gibt es zwei führende Ideen zur Entstehung der ersten Schwarzen Löcher. Jede Idee erzeugt Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse.

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Die erste Idee geht davon aus, dass sich Schwarze Löcher bilden, wenn die ersten Sterne kollabieren. Dieser Prozess würde dazu neigen, ziemlich leichte Schwarze Löcher zu erzeugen. Die andere Idee: Diese ersten Schwarzen Löcher könnten aus riesigen Gaswolken entstanden sein, die in sich zusammenfielen. Diese Schwarzen Löcher sollten anfangs schwerer sein.

Die von Reines beobachtete Zwerggalaxie scheint eine Masse von einigen Millionen Sonnen zu haben. Das ist ziemlich schwer. Das ist ein Punkt, der für die Idee des Wolkenkollapses spricht. Aber es ist nur ein Datenpunkt. Und die Masse von Schwarzen Löchern zu messen ist nicht einfach.

Glücklicherweise gibt es noch andere Hinweise, mit denen Wissenschaftler herausfinden können, wie die ersten Schwarzen Löcher entstanden sind. Diese Hinweise stammen von einer noch seltsameren Art von Schwarzen Löchern: massereichen Schwarzen Löchern, die nicht direkt im Zentrum ihrer Zwerggalaxien sitzen.

Erinnern Sie sich an Bellovarys Computermodelle der frühesten Schwarzen Löcher? Große schwarze Löcher in dürren Galaxien waren nicht die einzige Überraschung, die ihre Models entdeckten. Diese Modelle legten auch nahe, dass einige dieser großen Schwarzen Löcher in der Nähe der Ränder von Zwerggalaxien wanderten.

„Ich denke immer gerne an die Ausreißer oder die seltsamen kleinen Ausschussmitglieder“, sagt Bellovary. Sie lebt jetzt am Queensborough Community College in New York City.

Bellovary überarbeitete ihre Modelle. Sie zoomte auf die kleinsten Galaxien. Wenn sie das tat, wäre die Hälfte der massereichen Schwarzen Löcher in Zwerggalaxien außermittig. Sie und ihre Kollegen teilten diese Erkenntnis im Jahr 2019.

Wie aufs Stichwort hatte Reines einige Monate später Daten, die diese Modelle stützten. Die Beobachtungen ihres Teams stammten von Radioteleskopen in New Mexico, die als Very Large Array bekannt sind. Die Forscher untersuchten 111 Zwerggalaxien. Dreizehn hatten höchstwahrscheinlich große Schwarze Löcher. Von diesen 13 schienen einige außerhalb der Mitte ihrer Galaxienkerne zu liegen.

Wanderer zu finden war ein Jackpot. „Sobald ein Schwarzes Loch zu wandern beginnt, nimmt seine Masse nicht mehr zu“, sagt Marta Volonteri. Das bedeutet, dass verirrte Schwarze Löcher den Ausgangsmassen der ersten Schwarzen Löcher noch besser entsprechen sollten als denen in den Zentren von Zwerggalaxien. Volonteri ist Astrophysiker. Sie arbeitet für das Institut für Astrophysik in Paris, Frankreich. Es ist an der Sorbonne-Universität.

Leider ist das Wiegen wandernder Schwarzer Löcher noch schwieriger als das Wiegen von Schwarzen Löchern im Kern ihrer Galaxien. Daher ist es aufgrund ihres Gewichts schwierig zu beurteilen, ob sie der Sternkollaps- oder der Wolkenkollaps-Theorie entsprechen. Aber die Gesamtzahl der Wanderer kann Hinweise auf ihre Entstehung geben.

Wenn die ersten Schwarzen Löcher aus dem Kollaps riesiger Gaswolken entstanden sind, dann dürften Wanderer in Zwerggalaxien ziemlich selten sein. Das liegt daran, dass es ziemlich schwierig ist, eine Gaswolke in ein Schwarzes Loch umzuwandeln. Das sollte es also zu einem seltenen Ereignis machen. Wenn die ersten Schwarzen Löcher jedoch von kollabierenden Sternen stammten, müssten sie häufiger vorkommen. Der Grund dafür ist, dass Sterne ziemlich leicht zu Schwarzen Löchern kollabieren können.

Immer wieder tauchen Anzeichen von Wanderern auf. Das führt dazu, dass Forscher von der Idee des Wolkenkollapses abrücken. Doch Wissenschaftler wollen nicht nur wissen, wie die ersten Schwarzen Löcher entstanden sind. Sie wollen auch wissen, wie einige von ihnen zu den massereichsten Schwarzen Löchern wurden.

Um das herauszufinden, müssen Astronomen nach einer anderen Art kosmischer Spinner suchen.

Zwerggalaxien sind nicht die einzigen mit wandernden Schwarzen Löchern. Einige massereiche Galaxien scheinen sie auch zu haben. Und einige dieser Wanderer – oder Schurken – scheinen mit der zehnfachen Geschwindigkeit von Wanderern in Zwerggalaxien über ihre Heimatgalaxien zu fliegen.

Solche sprintenden Schurken tauchten in Modellen wie dem von Bellovary auf. Vor einigen Jahren sahen das Hubble-Weltraumteleskop und andere Observatorien auch Hinweise darauf, dass ein riesiges Schwarzes Loch an den Rand seiner Galaxie geschleudert wurde. Anfang dieses Jahres könnten Hubble und das Keck-Observatorium die Nachwirkungen eines Trios interagierender supermassereicher Schwarzer Löcher gesehen haben. Einer von ihnen schien aus seiner Galaxie geworfen worden zu sein.

Nicht alle Wissenschaftler haben diese Daten als Beweis für die Existenz gefährlicher Schwarzer Löcher akzeptiert. Aber wenn ja, könnten Schurken helfen, zu erklären, wie die größten Schwarzen Löcher von heute entstanden sind.

Stellen Sie sich vor, dass Astronomen viele sich langsam bewegende Wanderer finden. Diese Schwarzen Löcher haben wahrscheinlich nicht mit anderen interagiert. Sonst hätten sie einen zusätzlichen Schwung an Geschwindigkeit aufgenommen. Wenn Astronomen viele Schwarze Löcher finden, die nicht mit anderen interagiert haben, könnte das bedeuten, dass Interaktionen zwischen großen Schwarzen Löchern selten sind. Daraus würde sich ergeben, dass Verschmelzungen zwischen großen Schwarzen Löchern selten sind. Und das würde der aktuellen Vorstellung der Wissenschaftler, dass supermassive Schwarze Löcher durch wiederholte Verschmelzungen entstanden sind, einen Dämpfer verpassen.

Stellen Sie sich nun das Gegenteil vor. Viele supermassive Schwarze Löcher werden aus den Zentren ihrer Galaxien herausgeschossen. Das würde darauf hindeuten, dass Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern ziemlich häufig sind. Im Gegenzug wären Verschmelzungen von Schwarzen Löchern wahrscheinlich ebenfalls üblich. Das würde die aktuelle Verschmelzungstheorie darüber stützen, wie die größten Schwarzen Löcher entstanden sind.

Die vollständige Geschichte des kosmischen Kammapas bleibt ein Rätsel. Bisher haben Wissenschaftler wenig Anhaltspunkte – nur ein paar Dutzend mögliche Sonderlinge in Zwerggalaxien und ein paar mögliche weit entfernte Schurken. Mehr Daten würden zur Klärung beitragen. Glücklicherweise haben sich weitere Astronomen der Suche angeschlossen.

Zukünftige Observatorien könnten bei der Jagd ebenfalls hilfreich sein. Das Vera C. Rubin Observatorium soll nächstes Jahr eröffnet werden. Dieses Teleskop in Chile könnte den Himmel auf der Suche nach Wanderern absuchen. Und die Weltraumantenne des Laserinterferometers (In-tur-fur-AAHM-eh-tur) (LISA) wird versuchen, massive Zusammenstöße von Schwarzen Löchern zu erkennen.

Die Zeit und neue Technologien könnten eines Tages alles verraten. Im Moment regen seltsame Schwarze Löcher unsere Fantasie an. Sie veranlassen uns, große Fragen zu stellen und nach Beweisen zu suchen, die uns helfen könnten, die Geschichte unseres Kosmos besser zu verstehen.

Bei jeder Entdeckung kommt man nicht umhin, sich zu fragen: Was ist da draußen sonst noch verborgen? Vielleicht gibt es noch andere, noch nicht entdeckte Kuriositäten, die zur Erklärung des frühen Universums beitragen könnten, sagt Bellovary. Aber nur, wenn wir bereit sind, die Außenseiter und ihre Geschichten zu verfolgen.

Antenne: (Plural: Antennen oder Antennen) (in der Physik) Geräte zum Aufnehmen (Empfangen) elektromagnetischer Energie.

Array : Eine breite und organisierte Gruppe von Objekten. Manchmal handelt es sich dabei um Instrumente, die systematisch eingesetzt werden, um Informationen auf koordinierte Weise zu sammeln.

Astronom: Ein Wissenschaftler, der auf dem Gebiet der Forschung arbeitet, die sich mit Himmelsobjekten, dem Weltraum und dem physischen Universum beschäftigt.

Astrophysiker: Ein Wissenschaftler, der in einem Bereich der Astronomie arbeitet, der sich mit dem Verständnis der physikalischen Natur von Sternen und anderen Objekten im Weltraum beschäftigt.

schwarzes Loch: Eine Region des Weltraums mit einem so starken Gravitationsfeld, dass keine Materie oder Strahlung (einschließlich Licht) entweichen kann.

Kollege : Jemand, der mit einem anderen zusammenarbeitet; ein Kollege oder ein Teammitglied.

Computermodell: Ein Programm, das auf einem Computer ausgeführt wird und ein Modell oder eine Simulation eines realen Merkmals, Phänomens oder Ereignisses erstellt.

Kern: Etwas – normalerweise rundes – in der Mitte eines Objekts.

kosmisch: Ein Adjektiv, das sich auf den Kosmos bezieht – das Universum und alles darin.

Galaxis : Eine Gruppe von Sternen – und normalerweise unsichtbarer, mysteriöser dunkler Materie – alle durch die Schwerkraft zusammengehalten. Riesige Galaxien wie die Milchstraße haben oft mehr als 100 Milliarden Sterne. Die dunkelsten Galaxien haben möglicherweise nur ein paar Tausend. Einige Galaxien enthalten auch Gas und Staub, aus denen sie neue Sterne bilden.

Schwere : Die Kraft, die etwas mit Masse oder Volumen zu etwas anderem mit Masse hinzieht. Je mehr Masse etwas hat, desto größer ist seine Schwerkraft.

Laser : Ein Gerät, das einen intensiven kohärenten Lichtstrahl einer einzigen Farbe erzeugt. Laser werden beim Bohren und Schneiden, beim Ausrichten und Führen, bei der Datenspeicherung und in der Chirurgie eingesetzt.

Lichtjahr : Die Distanz, die Licht in einem Jahr zurücklegt, beträgt etwa 9,46 Billionen Kilometer (fast 6 Billionen Meilen). Um eine Vorstellung von dieser Länge zu bekommen, stellen Sie sich ein Seil vor, das lang genug ist, um es um die Erde zu wickeln. Es wäre etwas mehr als 40.000 Kilometer (24.900 Meilen) lang. Legen Sie es gerade aus. Nun liegen direkt nach der ersten weitere 236 Millionen, die Ende an Ende gleich lang sind. Die gesamte Entfernung, die sie jetzt zurücklegen, würde einem Lichtjahr entsprechen.

Masse: Eine Zahl, die angibt, wie stark ein Objekt der Beschleunigung und Verlangsamung widersteht – im Grunde ein Maß dafür, aus wie viel Materie das Objekt besteht.

Gegenstand : Etwas, das Raum einnimmt und Masse hat. Alles auf der Erde mit Materie hat eine Eigenschaft, die als „Gewicht“ bezeichnet wird.

Milchstraße: Die Galaxie, in der sich das Sonnensystem der Erde befindet.

Modell : Eine Simulation eines realen Ereignisses (normalerweise mithilfe eines Computers), die entwickelt wurde, um ein oder mehrere wahrscheinliche Ergebnisse vorherzusagen. Oder eine Person, die zeigen soll, wie etwas bei anderen wirken oder auf sie wirken würde.

Observatorium : (in der Astronomie) Das Gebäude oder die Struktur (z. B. ein Satellit), in dem ein oder mehrere Teleskope untergebracht sind. Oder es kann ein System von Strukturen sein, aus denen ein Teleskopkomplex besteht.

Ausreißer : Ereignisse oder Fälle, die außerhalb eines normalen Bereichs liegen. Das macht sie ungewöhnlich und kann dazu führen, dass sie unwahrscheinlich oder verdächtig erscheinen.

Strahlung : (in der Physik) Eine der drei Hauptarten der Energieübertragung. (Die anderen beiden sind Leitung und Konvektion.) Bei der Strahlung transportieren elektromagnetische Wellen Energie von einem Ort zum anderen. Im Gegensatz zu Leitung und Konvektion, die zur Übertragung der Energie Material benötigen, kann Strahlung Energie über den leeren Raum übertragen.

Radio : Bezieht sich auf Funkwellen oder das Gerät, das diese Übertragungen empfängt. Radiowellen sind Teil des elektromagnetischen Spektrums, das Menschen häufig für die Kommunikation über große Entfernungen nutzen. Radiowellen sind länger als die Wellen des sichtbaren Lichts und werden zur Übertragung von Radio- und Fernsehsignalen verwendet. Sie werden auch im Radar eingesetzt. Viele astronomische Objekte strahlen einen Teil ihrer Energie auch als Radiowellen ab.

Relikt: Etwas, das ein Überbleibsel aus einer früheren Zeit ist.

Schurke : Ein Tier, das allein, außerhalb seiner Herde oder der Gemeinschaft, in die es hineingeboren wurde, umherwandert. Oder irgendetwas, sogar ein Planet oder eine Galaxie, das unerwartet allein und weit weg von dem Ort reist, an dem man es erwarten würde.

Stern : Der Grundbaustein, aus dem Galaxien bestehen. Sterne entstehen, wenn die Schwerkraft Gaswolken verdichtet. Wenn sie heiß genug werden, emittieren Sterne Licht und manchmal auch andere Formen elektromagnetischer Strahlung. Die Sonne ist unser nächster Stern.

Sonne : Der Stern im Zentrum des Sonnensystems der Erde. Es ist etwa 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Auch ein Begriff für jeden sonnenähnlichen Stern.

Technologie: Die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse für praktische Zwecke, insbesondere in der Industrie – oder die Geräte, Prozesse und Systeme, die aus diesen Bemühungen resultieren.

Fernrohr : Normalerweise ein lichtsammelndes Instrument, das entfernte Objekte durch den Einsatz von Linsen oder einer Kombination aus gebogenen Spiegeln und Linsen näher erscheinen lässt. Einige sammeln jedoch Funkemissionen (Energie aus einem anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums) über ein Netzwerk von Antennen.

Theorie : (in der Wissenschaft) Eine Beschreibung eines Aspekts der natürlichen Welt, basierend auf umfangreichen Beobachtungen, Tests und Überlegungen. Eine Theorie kann auch eine Möglichkeit sein, einen breiten Wissensbestand zu organisieren, der unter einer Vielzahl von Umständen anwendbar ist, um zu erklären, was passieren wird. Anders als die übliche Definition von Theorie ist eine Theorie in der Wissenschaft nicht nur eine Ahnung. Ideen oder Schlussfolgerungen, die auf einer Theorie – und noch nicht auf gesicherten Daten oder Beobachtungen – basieren, werden als theoretisch bezeichnet. Wissenschaftler, die Mathematik und/oder vorhandene Daten nutzen, um zu prognostizieren, was in neuen Situationen passieren könnte, werden als Theoretiker bezeichnet.

Universum : Der gesamte Kosmos: Alle Dinge, die in Raum und Zeit existieren. Es hat sich seit seiner Entstehung während eines als Urknall bekannten Ereignisses vor etwa 13,8 Milliarden Jahren (plus oder minus ein paar hundert Millionen Jahre) ausgeweitet.

Röntgen: Eine Strahlungsart, die den Gammastrahlen ähnelt, jedoch eine etwas geringere Energie aufweist.

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Tagebuch: M. Volonteri, F. Haardt und P. Madau. Die Entstehungs- und Verschmelzungsgeschichte supermassiver Schwarzer Löcher in hierarchischen Modellen der Galaxienentstehung. ApJ. Bd. 582, Januar 2003, S. 559. doi: 10.1086/344675.

Ashley Yeager ist eine Redakteurin, die Autoren dabei hilft, Geschichten über alle Arten modernster Wissenschaft zu teilen. Ashley geht gerne mit ihren Hunden wandern, schwimmen und lesen. Sie ist fasziniert von den Sternen und dem Zeug zwischen ihnen – so sehr, dass sie ein Buch über dunkle Materie geschrieben hat, diese mysteriöse Substanz, die das Universum durchdringt.

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