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Ein verborgenes astronomisches Wunder: Wie lüftet der direkte Kollaps Schwarzer Löcher das Geheimnis der Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher?
Direkt kollabierende Schwarze Löcher (DCBHs) sind ein Prototyptyp schwarzer Löcher mit hoher Masse, die durch den direkten Kollaps großer Mengen Materie entstehen. Es wird vermutet, dass diese Schwarzen Löcher im Rotverschiebungsbereich z=15–30 entstanden sind, als das Universum etwa 100 bis 250 Millionen Jahre alt war. Im Gegensatz zu den Vorläufern Schwarzer Löcher, die von Sternen der ersten Generation (auch Typ-III-Sterne genannt) gebildet werden, entstehen durch direkten Kollaps entstandene Schwarze Löcher durch direkte Instabilitäten der allgemeinen Relativitätstheorie. Wenn diese Schwarzen Löcher entstehen, haben sie typischerweise eine Masse von etwa 10^5 M☉.
Dieser Typ von Schwarzloch-Prototyp wurde ursprünglich vorgeschlagen, um die Herausforderung der Beobachtung supermassiver Schwarzer Löcher bei einer Rotverschiebung von z~7 zu bewältigen, was durch viele Beobachtungen bestätigt wurde.
Bildungsmechanismus
Direkt kollabierende Schwarze Löcher (DCBHs) gelten als Prototypen riesiger Schwarzer Löcher, die im Universum mit hoher Rotverschiebung entstehen. Ihre Masse beträgt bei ihrer Entstehung etwa 10^5 M☉, kann aber zwischen 10^4 M☉ und 10^6 M☉ liegen. Die Umgebungsbedingungen für die Bildung von DCBH sind wie folgt:
- Keine Metallgase (nur Wasserstoff und Helium).
- Atome kühlen das Gas.
- Der Lyman-Wierth-Photonenfluss ist groß genug, um die Wasserstoffmoleküle zu zerstören, was die Gaskühlung weniger effizient macht.
Die Erfüllung der oben genannten Bedingungen kann eine Gasabkühlung und somit die Fragmentierung der ursprünglichen Gaswolke verhindern. Gaswolken, die sich nicht zersplittern und Sterne bilden, unterliegen einem globalen Gravitationskollaps und erreichen in ihren Kernen extrem hohe Materiedichten von etwa 10^7 g/cm3. Bei solchen Dichten würde das Objekt allgemeine relativistische Instabilitäten erfahren und schließlich ein Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa 10^5 M☉ oder sogar bis zu 1 Million M☉ bilden. Das Auftreten dieser Instabilität, zusammen mit dem Fehlen eines stellaren Zwischenstadiums, führt dazu, dass dieser Typ Schwarzen Lochs als direkt kollabierendes Schwarzes Loch bezeichnet wird.
Mengenstatistik
Man geht davon aus, dass direkt kollabierende Schwarze Löcher im Universum mit hoher Rotverschiebung äußerst selten sind, da es eine große Herausforderung darstellt, die drei Grundbedingungen für ihre Entstehung gleichzeitig zu erfüllen. Aktuelle kosmologische Simulationen legen nahe, dass die Anzahldichte der DCBHs bei Rotverschiebung 15 nur etwa 1 pro Kubikgigapascal betragen könnte. Im optimistischsten Fall, basierend auf dem für die Entstehung erforderlichen minimalen Lyman-Wierth-Photonenfluss, könnte die Anzahldichte etwa 10^7 DCBHs pro Kubik-Gigapascal erreichen.
Erkennungsfortschritt
Im Jahr 2016 nutzte ein Team unter der Leitung des Astrophysikers Fabio Pacucci von der Harvard University Daten des Hubble-Weltraumteleskops und des Chandra-Röntgenobservatoriums, um die ersten beiden Kandidaten für einen direkten Kollaps schwarzer Löcher zu identifizieren. Beide Kandidaten weisen Rotverschiebungen von über 6 auf und besitzen spektrale Eigenschaften, die mit den für solche Quellen vorhergesagten übereinstimmen. Insbesondere wird für diese Quellen eine signifikante überschüssige Infrarotemission bei höheren Rotverschiebungen vorhergesagt.
In Zukunft werden weitere Beobachtungen, insbesondere mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, von entscheidender Bedeutung sein, um die Eigenschaften dieser Quellen zu untersuchen und ihre Natur zu bestätigen.
Unterschiede zu anderen Arten schwarzer Löcher
Primordiale Schwarze Löcher sind solche, die durch den direkten Kollaps energiereicher oder ionisierter Materie während Expansionsperioden oder strahlungsdominierter Perioden entstehen, während direkte Kollaps Schwarze Löcher das Ergebnis des Kollapses ungewöhnlich dichter und großer Gasbereiche sind. Es ist erwähnenswert, dass Schwarze Löcher, die durch den Kollaps von Sternen des Typs III entstehen, nicht als „direkte“ Kollapse gelten.
Im Zuge der Erforschung der Geheimnisse des Universums wurde nach und nach die Bedeutung des direkten Kollapses Schwarzer Löcher erkannt, und künftige Forschungen könnten weitere Hinweise zum Geheimnis der Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher liefern. Wie viele unbekannte Schwarze Löcher warten in diesem geheimnisvollen Universum darauf, von Menschen entdeckt zu werden?
