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Astrophysik

Wie zentrale Schwarze Löcher schneller wachsen

Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation)

Wählt man auf gut Glück eine der insgesamt rund 100 Milliarden Galaxien in unserem Universum aus, so ist die Chance groß, dass man in ihrem Zentrum ein sehr massereiches Schwarzes Loch findet. Astronomen wissen aus ihren Beobachtungen, dass Galaxien im Laufe ihres Lebens mehrfach mit anderen Welteninseln verschmelzen. Dabei vereinigen sich auch ihre Schwarzen Löcher und wachsen dadurch an. In diesem Szenario würde man erwarten, dass sich die extrem massereichen Schwarzen Löcher vor allem in älteren Galaxien befinden. Je jünger die Galaxien sind, desto kleiner müssten ihre zentralen Schwarzen Löcher sein.

Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation)
Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation) | Darstellung einer Computersimulation zweier Gasscheiben, die um ein zentrales Schwarzes Loch kreisen. Die Farbe stellt die von blau nach weiß zunehmende Dichte des Gases dar. Die Scheiben sind um einen Winkel von 30 Grad zueinander verkippt und laufen in derselben Richtung. Dadurch beeinflussen sie sich gegenseitig kaum, und wenig Gas erreicht das zentrale Schwarze Loch.
Doch die Beobachtungen widersprechen diesem Bild. Auch in weit entfernten und damit jungen Galaxien finden die Astronomen extrem massereiche Schwarze Löcher. Sie müssen also innerhalb kurzer Zeit nach ihrer Entstehung sehr schnell an Masse gewonnen haben und große Mengen Materie verschlungen haben. Dass sich die Schwarzen Löcher in diesen jungen Welteninseln vor allem von einströmenden Gas ernähren, ist bekannt. Das Gas wird von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs angezogen, kann aber wegen der Erhaltung des Drehimpulses nicht auf direktem Wege hineinfallen; so bildet sich eine flache Scheibe um das Schwarze Loch aus, in der das Gas durch Reibung erhitzt wird und seinen anfänglichen Drall abgibt, bevor es schließlich nah genug an das Schwarze Loch gelangt, um in ihm zu verschwinden. Dieser Prozess ist relativ ineffizient und es dauert sehr lange, bis große Mengen von Gas im Schlund des Schwarzen Lochs verschwunden sind. So war bisher unklar, wie die zentralen Objekte in den Welteninseln durch diese vergleichsweise leichte Kost so schnell anwachsen konnten.

Drei Astronomen aus Großbritannien und Australien stellten nun in einer Publikation in den Monthly Notes of the Royal Astronomical Society eine simple, wie auch einleuchtende Idee vor. Die zentrale Frage ist: Was passiert, wenn das Einströmen des Gases nicht gleichmäßig in einer einzigen Scheibe abläuft, sondern wenn zwei einfallende Gaswolken mit entgegengesetztem Drehsinn auf das Schwarze Loch zufallen? Astronomen gehen davon aus, dass solche Ereignisse in der chaotischen Umgebung im Zentrum der jungen Galaxien häufig auftreten. Beide einfallenden Gaswolken würden ihre eigenen Akkretionsscheiben bilden, die sich gegenseitig durchdringen und dabei beeinflussen würden. Dabei prallen die Partikel der Wolken gegeneinander und können sich gegenseitig abbremsen, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen kreisen. Sie verlieren einen Großteil ihres Drehimpulses und können sehr viel näher an das Schwarze Loch heranrücken und so schneller hineinfallen. Dies könnte erklären, wie die zentralen Objekte junger Galaxien so schnell wachsen konnten.

Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation)
Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation) | Darstellung einer Computersimulation zweier Gasscheiben, die um ein zentrales Schwarzes Loch kreisen. Die Farbe stellt die von blau nach weiß zunehmende Dichte des Gases dar. Die Scheiben sind um einen Winkel von 150 Grad zueinander verkippt und laufen daher in entgegensetzten Richtungen um das Zentralobjekt. Dadurch stoßen ihre Gasteilchen fast frontal zusammen und bremsen sich gegenseitig stark ab. Sie können daher sehr effizient nah an das Zentralobjekt herangelangen und bilden eine kleine, sehr dichte Gasscheibe (weißer Ring) aus. Diese versorgt das Schwarze Loch binnen kurzer Zeit mit großen Gasmengen.
Mit einem sehr einfachen mathematischen Modell testeten die Wissenschaftler ihre Hypothese. In der Tat zeigte sich in der extrem simplifizierten Rechnung, dass gegensinnig kreisende Gasscheiben einander so weit beeinflussen, dass gut 20-mal mehr Gas in das Schwarze Loch fallen kann als wenn es aus einer einzigen Scheibe stammte. Die Astronomen begnügten sich aber nicht mit den groben Vereinfachungen ihrer ersten Rechnung: Sie stellten ein Computermodell des Schwarzen Lochs und seiner zwei Gasscheiben auf, in dem sie das Verhalten des Gases physikalisch exakt beschrieben. Sie variierten den Winkel zwischen den Gasscheiben von exakt paralleler und gleichsinniger Ausrichtung zu paralleler und gegensinniger Orientierung in mehreren Zwischenschritten, jeder ein wenig mehr geneigt als der vorherige. Für jede dieser Anfangskonfigurationen starteten sie eine physikalische Simulation, welche die Schwerkraft des zentralen Schwarzen Lochs und die Reibung der Gasscheiben aneinander berücksichtigte. Sie ließen die Computersimulation so lange laufen, bis sich aus den wechselwirkenden Akkretionsscheiben ein neuer Gleichgewichtszustand aufbaute. Außerdem verfolgten während der gesamten Entwicklung die Menge von Gas, die in das Schwarze Loch fiel.

Das Ergebnis? Ganz wie in ihrem übermäßig vereinfachten mathematischen Modell nahm die das Schwarze Loch erreichende Gasmenge rapide zu, wenn die beiden Gasscheiben auch nur ein bisschen gegensinnig rotierten. Richteten sie die Gasscheiben anfänglich senkrecht zueinander aus, so fiel schon zehnmal mehr Gas als bei einer einfachen Scheibe in das Schwarze Loch. Im optimalen Fall, bei einer Verkippung von 150 Grad konnte die Gaszufuhr zum Schwarzen Loch sogar auf das 10 000-fache des Referenzwerts gesteigert werden. Bei den anderen betrachteten Konfigurationen wurde immer noch eine Vervielfachung auf das 1000-fache des Ausgangswerts erreicht. Durch den Zusammenprall der beiden Gasscheiben wird ein Teil des Gases seines Drehimpulses beraubt, wodurch er sehr schnell sehr viel näher an das Schwarze Loch heranrücken kann. Dadurch bildet sich eine weitere, kleinere Akkretionsscheibe nah am Zentralobjekt aus, die es effizient mit Gasnachschub versorgen kann.

Der von den Forschern beschriebene Prozess bietet eine einfache, natürliche Erklärung für das Rätsel der extrem massereichen Schwarzen Löchern in jungen Galaxien. Dass genug Gas zum Füttern der anfänglich kleinen Schwarzen Löchern vorhanden ist, war bekannt. Wie diese jedoch an das Gas kommen sollten, war bisher unklar. Die Wissenschaftler liefern mit ihrer Idee und den Modellen eine mögliche Erklärung für die bisher unverstandene Versorgung junger Schwarzer Löcher in Galaxienzentren mit großen Gasmengen.

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