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Astrophysik: Wie zentrale Schwarze Löcher schneller wachsen

Zwei Gasscheiben umkreisen ein Schwarzes Loch (Computersimulation)
Beobachtungen zeigen, dass Galaxien im Lauf ihres Lebens mehrfach mit anderen Welteninseln verschmelzen. Dabei vereinigen sich auch die großen Schwarzen Löcher in ihrem Zentrum und wachsen dadurch an. Man würde daher erwarten, dass sich die besonders massereichen Schwarzen Löcher vor allem in älteren Galaxien befinden – und je jünger die Galaxie, desto kleiner sollte auch ihr zentrales Schwarzes Loch sein. Dies trifft aber offenbar nicht zu: Auch in weit entfernten, also jungen Galaxien finden Astronomen extrem massereiche Schwarze Löcher. Sie müssen innerhalb kurzer Zeit nach ihrer Entstehung sehr schnell an Masse gewonnen haben und große Mengen Materie verschlungen haben.

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.
In jungen Welteninseln ernähren sich Schwarze Löcher vor allem von einströmendem Gas: Es wird von der Schwerkraft angezogen, kann aber wegen der Erhaltung des Drehimpulses nicht auf direktem Weg 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. Es dauert daher lange, bis große Mengen von Gas im Schlund des Schwarzen Lochs verschwunden sind. Wie also konnten die zentralen Objekte jungendlicher Welteninseln mit ihrer vergleichsweise leichten Kost derart schnell wachsen?

Drei Astronomen aus Großbritannien und Australien stellen nun eine simple wie auch einleuchtende Idee vor. Sie gingen von der Frage aus, 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. Solche Ereignisse treten in der chaotischen Umgebung im Zentrum der jungen Galaxien vermutlich häufig auf. Beide einfallenden Gaswolken würden ihre eigenen Akkretionsscheiben bilden, die sich gegenseitig durchdringen und dabei beeinflussen. 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 schneller hineinfallen. Dies mag erklären, wie die zentralen Objekte junger Galaxien so schnell wachsen konnten.

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 alle 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 sie 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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