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Der Zusammenhang zwischen Schwarzen Löchern und dem Urknall: Warum kann der Kollaps eines Schwarzen Lochs unser Verständnis des Universums verändern?
Im frühen Universum könnten direkt kollabierende Schwarze Löcher (DCBHs) ein wichtiger Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher gewesen sein. Diese massereichen Schwarzlochsamen entstehen durch den direkten Kollaps großer Materiemengen und entstehen vermutlich im Rotverschiebungsbereich z = 15 bis 30, als das Universum etwa 100 bis 250 Millionen Jahre alt war. Im Gegensatz zu den Keimzellen Schwarzer Löcher, die sich aus der ersten Sterngeneration (der sogenannten dritten Sterngeneration) bilden, entstehen diese durch direkten Kollaps entstehenden Schwarzen Löcher aufgrund direkter allgemeiner relativistischer Instabilitäten. Ihre typische Masse kann etwa 105 M☉ erreichen. Diese Klasse von Schwarzlochsamen wurde erstmals theoretisch vorgeschlagen, um die Herausforderung der Existenz supermassiver Schwarzer Löcher bei Rotverschiebung z~7 zu lösen, was durch viele Beobachtungen bestätigt wurde. .
Vertikal kollabierende Schwarze Löcher entstehen durch eine einzigartige Kombination physikalischer Umweltbedingungen, die selten gleichzeitig auftreten.
Bildungsmechanismus
Bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs, das direkt kollabiert, spielen mehrere entscheidende Umgebungsbedingungen eine Rolle, die eher den direkten Kollaps des Gases als die Entstehung eines Sternhaufens begünstigen. Erstens muss das Gas frei von Metall sein (d. h. nur Wasserstoff und Helium enthalten), zweitens muss es eine atomare Kühlwirkung haben und schließlich muss es einen Lyman-Wierth-Photonenstrom von ausreichender Intensität geben, um die Wasserstoffmoleküle zu zerstören, was sind sehr wirksame Gaskühlmittel. Wenn der Abkühlungsprozess dieser Gase nicht unterbrochen werden kann, erleidet die Gaswolke einen Gravitationskollaps und erreicht eine extrem hohe Massendichte von etwa 107 g/cm³. Bei diesen Dichten treten bei den Objekten allgemeine relativistische Instabilitäten auf, die zur Bildung von Schwarzen Löchern mit Massen von typischerweise bis zu 105 M☉ oder sogar bis zu 1 Million M☉ führen.
Diese Objekte kollabieren direkt aus ursprünglichen Gaswolken, ohne ein stellares Zwischenstadium zu durchlaufen, und werden daher als direkt kollabierende Schwarze Löcher bezeichnet.
Eine aktuelle Computersimulation zeigt, dass starke, kalte Akkretionsströme in seltenen Konzentrationen diese Schwarzlochkeime bilden können, ohne dass eine ultraviolette Hintergrundstrahlung oder Überschallströme oder gar atomare Kühlung erforderlich sind. In dieser Simulation dauerte es bis zum Wachstum der Baryonenmasse auf 40 Millionen Sonnenmassen, bis die Schwerkraft die Turbulenzen schließlich überwand und der Stern einfach kollabierte und zwei supermassive Sterne bildete, die schließlich zu gerade kollabierenden Schwarzen Löchern mit Massen von 31.000 bzw. 2.000 wurden. . und 40.000 M☉.
Anzahl vertikal kollabierender Schwarzer Löcher
Trotz des wichtigen theoretischen Werts von Schwarzen Löchern, die durch einen geradlinigen Kollaps entstehen, gehen Wissenschaftler im Allgemeinen davon aus, dass sie im Universum mit hoher Rotverschiebung relativ selten sind, da es eine große Herausforderung darstellt, die drei für ihre Entstehung erforderlichen Grundbedingungen gleichzeitig zu erfüllen. Aktuelle kosmologische Simulationen sagen voraus, dass es bei einer Rotverschiebung von 15 im Durchschnitt nur etwa ein direkt kollabierendes Schwarzes Loch pro Kubik-Gigapascal gibt. Abhängig von verschiedenen Annahmen könnte die Anzahl der vorhergesagten geradlinig kollabierenden Schwarzen Löcher bis zu 107 pro Kubik-Gigapascal betragen, doch würde dies einen extrem hohen Lyman-Wierth-Photonenfluss erfordern.
Daraus ergeben sich auch Erwartungen für zukünftige Beobachtungen, wobei insbesondere Beobachtungen durch das Zhang Xianwang-Weltraumteleskop von entscheidender Bedeutung sein werden.
Erkennung und Entdeckung
Im Jahr 2016 verwendete ein Team um den Astrophysiker Fabio Pacucci von der Harvard University Daten des Hubble-Weltraumteleskops und des Chandra-Röntgenobservatoriums, um zum ersten Mal zwei vertikale Kollapse zu identifizieren. Schwarze Lochkandidaten, die Rotverschiebungs-Z-Werte von Diese beiden Kandidaten sind beide größer als 6 und stimmen mit den spektralen Eigenschaften dieser Art von Himmelskörpern überein. Es wird vorausgesagt, dass diese Quellen im Vergleich zu anderen Quellen bei höheren Rotverschiebungen einen erheblichen Überschuss an Infrarotemission aufweisen. Zukünftige Beobachtungen werden für die Bestimmung der Eigenschaften dieser Schwarzlochkandidaten von entscheidender Bedeutung sein.
Unterschiede zu anderen Schwarzen Löchern
Es ist zu beachten, dass primordiale Schwarze Löcher aufgrund eines direkten plötzlichen Abfalls von Energie, ionisierter Materie oder beidem entstehen, während direkte Kollaps-Schwarze Löcher aufgrund des direkten Kollapses dichter und großer Gaswolken entstehen. Darüber hinaus werden Schwarze Löcher, die von Sternen der dritten Populationsgeneration gebildet werden, nicht als „direkt“ kollabierte Schwarze Löcher klassifiziert.
Die Entdeckung vertikal kollabierender Schwarzer Löcher bietet zweifellos eine neue Perspektive für die Untersuchung der Galaxienstruktur und der Entstehung Schwarzer Löcher im frühen Universum, was zu tieferen Überlegungen führen wird: Welche anderen Unbekannten sind im Universum während der Entstehung vertikal kollabierender Schwarzer Löcher verborgen? Löcher? Wie lässt sich das Rätsel lösen?Die Existenz vertikal kollabierender Schwarzer Löcher erklärt nicht nur die Entstehung Schwarzer Löcher im frühen Universum, sondern stellt auch unser Verständnis von der Evolution des Universums in Frage.
