Die sich entwickelnde Population Schwarzer Löcher

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Vier Galaxien, simuliert durch das Illustris-Programm, das auch die Entwicklung der supermassereichen Schwarzen Löcher in deren Zentren verfolgt. Sijacki et al.

Quasare sind mit die leuchtkräftigsten Quellen im Universum, die mit einer Gesamtleuchtkraft von hunderten oder tausenden Milchstraßen strahlen. Sie geben so riesige Mengen an Strahlung ab, daß es uns möglich ist, sie über große Entfernungen hinweg zu beobachten und somit ihre Entwicklung über mehr als neunzig Prozent der Zeit im Kosmos zu untersuchen. Der Vorgang, der Quasare höchstwahrscheinlich mit Energie versorgt, ist die Akkretion von Materie auf ein supermassereiches Schwarzes Loch in jedem Kern dieser Galaxien.

Obwohl es zwischen der akkretierenden Umgebung eines Schwarzen Lochs und seiner Heimatgalaxie in der Ausdehnung einen Unterschied um etwa den Faktor eine Milliarde gibt, stehen die beiden Abmessungen in den vielen beobachteten Objekten eng miteinander in Beziehung; dies ist ein Hinweis darauf, daß es irgend eine Art von Rückkopplung zwischen dem Wachstum des Schwarzen Lochs und dem seiner Heimatgalaxie gibt. Zu verstehen, um welche Rückkopplungsmechanismen es sich hierbei handelt und wie sie das Wachstum der Galaxie (insbesondere ihre Sternbildung) beeinflussen, ist von höchstem Interesse für das Verständnis der Galaxienbildung und Galaxienentwicklung. Beide Vorgänge, so die Vermutung, erreichten den Höhepunkt ihrer Aktivität, als das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt war, aber keiner der beiden ist wirklich verstanden. Über die Bandbreite an Eigenschaften und Aktivitäten von Quasaren und ihren Schwarzen Löchern im lokalen Universum haben Astronomen eine recht gute Vorstellung, aber über Quasare, die aus den ersten Milliarden Jahren des Universums stammen, ist ihnen um einiges weniger bekannt.

Gemeinsam mit Kollegen haben die CfA-Astronomen Shy Genel, Paul Torrey, Dylan Nelson und Lars Henquist eine Computersimulation entwickelt, die den Versuch unternimmt, diese Rätsel anzugehen. Das Programm „Illustris“ ist die erste leistungsfähige Simulation zur Modellierung der Galaxienentwicklung auf Größenskalen, die bis hinab zu relativ kleinen Abmessungen reicht – nur ein paar Tausend Lichtjahre – eine Fähigkeit, die dem Programm insbesondere erlaubt, die Entwicklung und das Wachstum der supermassereichen zentralen Schwarzen Löcher zu verfolgen. Das Programm geht von grundlegenden kosmologischen Parametern aus, einschließlich Dunkler Materie, und sobald die Simulation in der heutigen Zeit endet, hat sie 32.542 Schwarze Löcher hervorgebracht, von denen 3.965 mehr als zehn Millionen Sonnenmassen besitzen.

Wenn man jüngst beobachtete Einschränkungen mit der Illustris-Simulation vergleicht, stehen beide Ergebnisse in sehr guter Übereinstimmung und stützen das Vertrauen in die Genauigkeit der neuen Schlußfolgerungen. Dazu zählen unter anderem die Entdeckung, daß sich Schwarze Löcher und Galaxien in ihrer Masse gemeinsam entwickeln, zumindest im Fall von massereichen Galaxien, daß eine bislang unbeobachtete Population lichtschwacher, aktiver Schwarzer Löcher im frühen Universum existiert und daß der Wirkungsgrad, mit dem die Akkretionsmechanismen Schwarzer Löcher Strahlung erzeugen, nur ungefähr zehn Prozent des theoretischen Maximums erreicht. Die neuen Ergebnisse zeigen die ganz besondere Rolle, die großräumige Simulationen beim Beantworten der offenen Fragen in unserem Verständnis der frühen Entwicklung von Galaxien und ihren Schwarzen Löchern spielen.

Literatur:
„The Illustris simulation: the evolving population of black holes across cosmic time“
Debora Sijacki, Mark Vogelsberger, Shy Genel, Volker Springel, Paul Torrey, Gregory F. Snyder, Dylan Nelson, and Lars Hernquist
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 452, 575–596 (2015)