Wie supermassive Schwarze Löcher entstehen

Zusammenstöße zwischen Protogalaxien führen im jungen Kosmos zur rasanten Entstehung Schwarzer Löcher mit der milliardenfachen Masse der Sonne

Ausschnitt aus der Simulation
Ausschnitt aus der Simulation

Zürich (Schweiz) - Bislang war es für die Astronomen ein Rätsel: Schon weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gab es im Kosmos Schwarze Löcher mit der milliardenfachen Masse der Sonne. Sie fungieren als Kraftwerke der Quasare, extrem leuchtkräftiger Strahlungsquellen in Galaxienkernen. Wie konnten so schnell derart supermassive Objekte entstehen? Ein internationales Forscherteam präsentiert im Fachblatt "Nature" nun Computersimulationen, die eine Lösung für dieses Dilemma aufzeigen: Zusammenstöße zwischen Galaxien erzeugen instabile Gaswolken, die rasant zu Supersternen und schließlich zu massereichen Schwarzen Löchern kollabieren.

Im jungen Kosmos, so die Ausgangsidee von Lucio Mayer von der Universität Zürich und seinen Kollegen aus der Schweiz, den USA und Chile, spielen Zusammenstöße und Verschmelzungen von Protogalaxien eine wichtige Rolle. Die Astrophysiker gingen mit ihren Simulationen der Frage nach, was mit dem Gas bei diesen kosmischen Katastrophen passiert. Die Rechnungen des Teams zeigen, dass sich im Zentrum der verschmelzenden Protogalaxien eine supermassive Gasscheibe bildet, die sich in einem hochgradig instabilen Zustand befindet. In der Gasscheibe entstehen spiralförmige Strömungen, die innerhalb von 100.000 Jahren über 100 Millionen Sonnenmassen an Gas in das Zentrum der Scheibe transportieren. Der Kern der sich so akkumulierenden dichten Gaswolke kollabiert dann zu einem Superstern mit zehntausenden Sonnenmassen, der sich rasant entwickelt und in einem finalen Kernkollaps ein massereiches Schwarzes Loch produziert.

Entscheidend dabei ist, dass der gesamte Vorgang kosmologisch gesehen enorm schnell abläuft: Die Zeitskala ist erheblich kürzer als die typischerweise 100 Millionen Jahre, die für eine Entstehung von Sternen in der Gasscheibe nötig wären. So steht nach dem Entstehen des massereichen Schwarzen Lochs noch eine große Menge an Gas zur Verfügung, die das Schwarze Loch in wenigen hundert Millionen Jahren zu einem supermassiven Giganten anwachsen lässt. Die Schwäche früherer Erklärungsansätze war, dass sie sehr spezielle Bedingungen erforderten, um die Entstehung von Sternen in den Gaswolken zu unterbinden, aus denen sich die Schwarzen Löcher bilden.

Das von Mayer und seinen Kollegen simulierte Szenario funktioniert bislang allerdings nur für bereits sehr massereiche Protogalaxien, aus denen große Galaxien entstehen. Supermassive Schwarze Löcher konnten aber auch in den Zentren von Zwerggalaxien nachgewiesen werden, die weniger als ein Hundertstel der Masse der Milchstraße enthalten. Möglicherweise entstanden die Schwarzen Löcher in den Zwerggalaxien über einen anderen Prozess, vielleicht aus den Überresten der ersten Sternengeneration. Zukünftige Instrumente wie das James Webb Space Telescope, der Röntgensatellit IXO und der im Weltraum stationierte Gravitationswellendetektor LISA könnten den Astronomen die Möglichkeit eröffnen, die Entstehungsphase der supermassiven Schwarzen Löcher direkt zu beobachten.