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Die mysteriöse Geburt direktexplosiver Schwarzer Löcher: Warum schockieren diese supermassereichen Schwarzen Löcher astronomische Wissenschaftler?
In der frühen Geschichte des Universums bemerkten Wissenschaftler einige besondere Objekte. Die Art und Weise, wie diese Objekte entstanden, markierte eine wichtige Kategorie in der Entwicklung der Materie im Universum: direkte Explosionsschwarze Löcher (DCBHs). Diese mysteriösen Schwarzen Löcher entstanden vor etwa 100 bis 250 Millionen Jahren, einem Zeitraum zwischen etwa 15 und 30, der als Rotverschiebung z bekannt ist.
Der Entstehungsprozess direkt explodierender Schwarzer Löcher unterscheidet sich von Schwarzen Löchern in traditionellen Theorien. Diese Schwarzen Löcher entstehen durch direkten Gravitationskollaps und nicht durch den Tod von Sternen.
Die Bildung eines Schwarzen Lochs mit direkter Explosion erfordert bestimmte Umgebungsbedingungen. Zu den Hauptbedingungen gehören: ein Gas ohne Metallgehalt (das nur Wasserstoff und Helium enthält), eine Bestrahlung mit Lyman-Werner-Photonen, die hoch genug ist, um Wasserstoffatome anzuregen, und ein Laserstrahl, der Wasserstoffmoleküle zerstören kann. Diese Bedingungen verhindern, dass das Gas abkühlt und fragmentiert, wodurch die Gaswolke intakt den Gravitationskollaps durchläuft und extrem hohe Materiedichten erreicht.
Wenn die Dichte der Materie etwa 107 g/cm³ erreicht, unterliegen diese Gaswolken einer gewöhnlichen relativistischen Instabilität und verwandeln sich in direkte Explosionsschwarze Löcher. Das bedeutet, dass sie direkt aus ursprünglichen Gaswolken und nicht aus stellaren Vorläufern geboren wurden.
Laut einer im Juli 2022 veröffentlichten Computersimulation fanden Forscher heraus, dass starke und kalte Akkretionsströme unter seltenen Bedingungen massive Schwarze Löcher ohne ultraviolette Strahlung und Überschallströmung erzeugen können. Diese Simulation zeigt, dass in einer Umgebung, die auf etwa 40 Millionen Sonnenmassen anwuchs, schließlich mehrere Überriesen entstanden und sich erfolgreich in direkt explodierende Schwarze Löcher verwandelten.
Die Seltenheit direkter Explosionen Schwarzer Löcher
Direkt explosive Schwarze Löcher gelten als äußerst seltene Objekte im Universum mit hoher Rotverschiebung. Aktuelle kosmologische Simulationen zeigen, dass die Anzahl dieser Schwarzen Löcher bei einer Rotverschiebung von 15 möglicherweise nur etwa 1 pro Kubikgigaparsec beträgt. Diese Vorhersage wird stark vom Lyman-Werner-Photonenminimumfluss beeinflusst, und in einigen der optimistischsten Szenarien könnte die Dichte von DCBHs bis zu 107 Zellen pro Kubikgibeltosekunde betragen.
Die Entdeckung direkt explodierender Schwarzer Löcher
Im Jahr 2016 nutzte ein Forscherteam unter der Leitung des Astrophysikers Fabio Pacucci von der Harvard University Daten des Hubble-Weltraumteleskops und des Chandra-Röntgenobservatoriums, um erstmals zwei Kandidaten für eine direkte Explosion von Schwarzen Löchern zu identifizieren. Diese Kandidaten befinden sich alle im Rotverschiebungsbereich von z>6 und ihre spektralen Eigenschaften im CANDELS GOODS-S-Feld stimmen mit den Vorhersagen überein.
Es wird vorhergesagt, dass diese direkt explodierenden Schwarzen Löcher eine größere Infrarotstrahlung erzeugen als andere Quellen mit hoher Rotverschiebung, und weitere Beobachtungen, insbesondere mit dem James Webb-Weltraumteleskop, werden entscheidend sein, um die Natur dieser Quellen zu bestätigen.
Unterschiede zu anderen Schwarzen Löchern
Anders als der Entstehungsprozess ursprünglicher Schwarzer Löcher, der mit dem direkten Kollaps von Energie und geladener Materie zusammenhängt, resultiert die Entstehung direktexplosiver Schwarzer Löcher aus dem Kollaps ungewöhnlich dichter und großer Gasregionen. Es ist erwähnenswert, dass Schwarze Löcher, die von Sternen der dritten Generation (d. h. Sternen der Population III) gebildet werden, nicht zur Kategorie der Schwarzen Löcher mit direkter Explosion gehören.
Zusammenfassung
Die Entdeckung direkt explodierender Schwarzer Löcher erweitert nicht nur unser Verständnis der Entstehung von Schwarzen Löchern, sondern enthüllt auch die komplexen Phänomene, die im frühen Universum existieren könnten. Diese mysteriösen Objekte definieren unser grundlegendes Verständnis der Entwicklung des Universums neu. Werden wir mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie in Zukunft in der Lage sein, mehr Geheimnisse dieser Schwarzen Löcher aufzudecken?
