Auf dem Gebiet der Kosmologie und auch in anderen Bereichen der Astrophysik hat das James Webb Space Telescope (JWST) nicht enttäuscht. Es ermöglicht uns zu erkunden SchichtenSchichten des Lichts in der Geschichte des Universums besser beobachtbar als Hubble und sogar einige, die außerhalb seiner Reichweite lagen, weniger als 500 Millionen Jahre nach dem UrknallUrknall.
JWST-Beobachtungen ergaben somit, dass eine große Anzahl von GalaxienGalaxien Das bereits weit entwickelte und massive Phänomen existierte früher als allgemein angenommen, vor weniger als einer Milliarde Jahren nach dem Urknall. Insbesondere finden wir groß supermassive schwarze Löchersupermassive schwarze Löcher enthält bereits mehr als MasseMasse als das unserer MilchstraßeMilchstraße Heute. Das ist ein Problem für die Standardmodell der KosmologieStandardmodell der Kosmologie basierend auf dunkler Materie unddunkle Energiedunkle Energie. Wir sind noch nicht bei einer Widerlegung angelangt, aber sie könnte am Ende eintreffen und uns dazu veranlassen, ein neues Gesetz zu verabschieden GravitationGravitation und/oder Mechanik im Rahmen der Mond-Theorie.
Jean-Pierre Luminet, Forschungsdirektor am CNRS, und Françoise Combes, Professorin am Collège de France, sprechen mit uns über Schwarze Löcher. © Hugot-Stiftung des Collège de France
Wir verstehen recht gut, wie Schwarze Löcher entstehen können ZusammenbruchZusammenbruch GravitationSterneSterne riesige Exemplare mit einigen Dutzend Sonnenmassen. Wir erhalten dann das, was wir nennen stellare schwarze Löcherstellare schwarze Löcher. Bei supermassiven Schwarzen Löchern mit einigen Millionen bis einigen Milliarden Sonnenmassen im Herzen von Galaxien ist dies nicht der Fall. Sie sind für die Existenz verantwortlich aktive galaktische Kerneaktive galaktische Kerne und insbesondere diejenigen, die seit 1963 entdeckt wurden und die wir Quasare nennen.
Die mysteriösen Quasare
Wir wissen, dass diese Objekte die Entwicklung von Galaxien beeinflussen und insbesondere, dass diese Sterne zusammenwachsen, zumindest was die großen Sterne betrifft. Galaxien SpiralenGalaxien Spiralen und elliptisch, weil zwischen der Masse der Schwarzen Löcher im Herzen dieser Galaxien und der Masse, die sie in Form von Sternen enthalten, eine bemerkenswerte Proportionalitätsbeziehung besteht.
Die Existenz supermassiver Schwarzer Löcher ist bereits ein Problem für sich und es wurden mehrere Theorien vorgeschlagen, um die Entstehung dieser Riesen zu erklären. In jedem Fall müssen Mechanismen der Entstehung und des schnellen Wachstums ins Spiel gebracht werden. Insbesondere wurde angenommen, dass diejenigen, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall aktiv waren, sich von denen unterscheiden müssten, die in der Zeit arbeiteten KosmosKosmos einige Milliarden Jahre lang beobachtbar, was auch erklären würde, warum es mehr davon gab QuasareQuasare zu Beginn der Geschichte des Universums als heute.
Denken Sie daran, dass Quasare sehr helle aktive Galaxienkerne sind, die aus einem signifikanten Phänomen resultieren AkkretionAkkretion von GegenstandGegenstand durch supermassereiche Schwarze Löcher, in die ein großer Teil der Materie hineinfällt.
Wussten Sie ?
Vor etwa 60 Jahren ermöglichte die Technik der Bedeckungen die Bestimmung des sichtbaren Gegenstücks zu einer damals erstaunlich leistungsstarken Radioquelle, 3C 273. Damals führte Maarten Schmidt, ein niederländischer Astronom, die Spektralanalyse des Lichts des Sterns durch Immer noch im Sichtbaren entdeckte er mit Erstaunen Linien von Wasserstoffemissionen, die stark ins Rote verschoben waren. Allerdings erschien 3C 273 im Sichtbaren als Stern, während dieses Ergebnis darauf hindeutete, dass es sich außerhalb der Milchstraße in kosmologischer Entfernung befand. Um aus so großer Entfernung beobachtet werden zu können, muss das Objekt daher eine enorme Leuchtkraft gehabt haben. Weitere Quasistellare als Radioquelle, Quasare nach dem Namen, den der chinesische Astrophysiker Hong-Yee Chiu 1964 vorschlug, sollten bald entdeckt werden. Heute sind mehr als 200.000 bekannt.
Astrophysiker versuchten schon sehr früh, die Natur dieser Sterne zu verstehen, die zwar enorme Energiemengen freisetzten, aber klein zu sein schienen. Wir dachten zunächst, dass es sich um riesige Sterne handeln könnte, die von den Effekten der Allgemeinen Relativitätstheorie dominiert werden und insbesondere für die Spektralverschiebung verantwortlich sind, bevor wir schnell darüber nachdachten, dass es sich um supermassereiche Schwarze Löcher handeln könnte, die große Mengen an Gas ansammeln. Im Bestiarium relativistischer Sterne, das wir in den 1960er Jahren ernsthaft zu erforschen begannen, haben einige, wie der Russe Igor Novikov und der Israeli Yuval Ne’eman, sogar vorgeschlagen, dass Quasare tatsächlich Weiße Löcher seien. Das heißt, entweder Regionen des Universums, deren Expansion zum Zeitpunkt des Urknalls verzögert war (Hypothese von nacheilender Kern) oder das andere Ende von Wurmlöchern, das die von ihnen absorbierte Materie in Form von Schwarzen Löchern in einen anderen Teil des Kosmos oder sogar in ein anderes Universum ausstößt.
Es kann gezeigt werden, dass die von der erzeugte Strahlung GasGas heiß von AkkretionsscheibeAkkretionsscheibe Übungen a DruckDruckdie Berühmten StrahlungsdruckStrahlungsdruck, über Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt. Es gibt sogar eine HelligkeitHelligkeit Grenze, ab der Strahlung den Materiefluss stoppt. Dies ist nur ein Beispiel, um zu verdeutlichen, dass die theoretische Bestimmung, wie ein Schwarzes Loch wächst, nicht einfach ist. Generell bestehen Unsicherheiten darüber, wie ein Schwarzes Loch durch das Verschlucken von Materie wächst.
Wir könnten hoffen, Theorien zu testen, die eine andere Versorgung mit Schwarzlochmaterie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall vorschlagen, indem wir mit dem JWST Quasare aus dieser Zeit beobachten. Das ist es, was ein Team ausmachtAstrophysikerAstrophysiker hatte es sich vorgenommen, indem es im Januar 2023, während des ersten Zyklus der JWST-Beobachtungen, den derzeit entferntesten Quasar in der Noosphäre beobachtete.
J1120+0641, ein Laborquasar
Die Datenerhebung dauerte etwa zweieinhalb Stunden und betraf daher die GespenstGespenst des berühmten Quasars J1120+0641 im Sternbild LöweSternbild Löwebeobachtet in derInfrarotInfrarot Medium mit dem Instrument MiriMiri des JWST während der sogenannten Periode vonDämmerungDämmerung kosmisch. In diesem Fall für diesen Quasar, knapp 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (RotverschiebungRotverschiebung z = 7).
Die Analyse der Beobachtungen wurde Sarah Bosman, Postdoktorandin am Max-Institut, anvertraut: 1. .2.3.1.1.2.2.3.1 …: 1. .2.3.1.1.2.2.3.1 … of Astronomy (MPIA) und Mitglied des europäischen Miri-Konsortiums, und sie stellt die Arbeit ihrer Kollegen in einem Artikel in vor Naturastronomie.
Françoise Combes, Professorin am Collège de France, spricht mit uns über supermassereiche Schwarze Löcher. © École Normale Supérieure, PSL
In einer Pressemitteilung des MPIA legt der Forscher brutal offen, was entdeckt wurde. „ Insgesamt tragen die neuen Beobachtungen nur dazu bei, das Rätsel zu lösen: Die ersten Quasare waren überraschend normal. Was auch immer WellenlängeWellenlänge In dem Moment, in dem wir sie beobachten, sind Quasare zu jedem Zeitpunkt im Universum nahezu identisch. »
Ergänzt wird seine Aussage durch Erläuterungen in derselben Pressemitteilung: „ Die allgemeine Form des mittleren Infrarotspektrums („Kontinuum“))) kodiert die Eigenschaften eines großen Staubtorus, der in typischen Quasaren die Akkretionsscheibe umgibt. Dieser Torus hilft dabei, Materie zur Akkretionsscheibe zu leiten und so das Schwarze Loch zu „ernähren“. Der Torus und damit auch die Zufuhrmechanismen in diesem sehr frühen Quasar scheinen die gleichen zu sein wie bei seinen moderneren Gegenstücken. Der einzige Unterschied ist einer, den kein Modell des schnellen Wachstums früher Quasare vorhergesagt hatte: eine etwas höhere Staubtemperatur von etwa 100 °C KelvinKelvin als die 1300 K, die für den heißesten Staub in weniger entfernten Quasaren gefunden wurden ».
Also J1120+0641, mit einer Helligkeit von 63 × 1012 mal so viel SonneSonne Das von einem supermassereichen Schwarzen Loch mit etwa 2 Milliarden Sonnenmassen erzeugte Phänomen scheint sowohl in seiner Größe als auch in seiner Masse schon früh in der Geschichte des Kosmos ausgereift zu sein, was im Rahmen aktueller Modelle schwer zu erklären und vielleicht sogar unmöglich ist.
Insbesondere ging man davon aus, dass seine Masse überschätzt wurde, da in der Galaxie, in der sich der Quasar befindet, eine große Menge Staub vorhanden war, der sein Spektrum so verändert hätte, dass er anwuchs. Nun scheint es jedoch so zu sein, dass dies zumindest für J1120+0641 nicht der Fall ist.
Drei Szenarien zur Erzeugung von Keimen supermassiver Schwarzer Löcher
Denken Sie daran, dass hauptsächlich drei Hypothesen aufgestellt wurden, um die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher zu erklären.
Beim ersten handelt es sich um urzeitliche kosmologische Schwarze Löcher, Überreste der hochdichten Phase des Urknalls weniger als eine Sekunde nach seinem Beginn, in der große Mengen an Materie durch die Schwerkraft direkt in diese Schwarzen Löcher kollabieren könnten.
Bei der zweiten handelt es sich um Sterne exotischexotisch Sehr massereich, insbesondere einige Hundert bis mehrere Tausend Sonnenmassen, vielleicht aber auch mehr, und gehören zu den allerersten Sternen des beobachtbaren Kosmos, den sogenannten Population III, die in den ersten Hunderten von Millionen Jahren der Geschichte des beobachtbaren Kosmos geboren wurden . Diese Sterne hätten sich dann unter den besonderen Bedingungen des damaligen Universums gebildet finsteres Mittelalterfinsteres Mittelalterwährend die baryonische Materie am Ursprung aller Sterne aus einer nahezu reinen Mischung von bestandWasserstoffWasserstoffD’HeliumHelium und ihre IsotopeIsotopeohne jede Spur von schweren Elementen wie z KohlenstoffKohlenstoffDie SiliziumSilizium und das ferfer.
Dieser Unterschied ist wichtig, denn Milliarden von Jahren lang war die Existenz von silikathaltigem und kohlenstoffhaltigem Staub notwendig, um den Kollaps zu ermöglichen WolkenWolken molekular und staubig, wo Sternenkindergärten geboren werden. In der Tat, indem sie unter ihren eigenen Bedingungen zusammenbrechen SchwereSchwerediese Wolken erwärmen sich und es entsteht ein Druck, der den Kollaps stoppt, es sei denn, ein Agent zerstreut einen Teil davon HitzeHitze in diesen Wolken, wodurch sie abkühlen. Am Ende des Urknalls wäre die Sternentstehung ohne diesen Staub nicht möglich gewesen. Tatsächlich haben wir auch Probleme bei der Geburt supermassereicher Sterne, die nach ihrer Explosion in SupernovaeSupernovaekönnten riesige Schwarze Löcher mit weit mehr als ein paar hundert Sonnenmassen hinterlassen, KeimeKeime von supermassereichen Schwarzen Löchern, die wir Schwarze Löcher mittlerer Masse nennen.
Die letzte Hypothese geht davon aus, dass riesige Materiewolken noch während der Entstehung der ersten Sterne in den ersten Hunderten von Millionen Jahren nach dem Urknall direkt kollabieren und Schwarze Löcher mittlerer Masse entstehen. Wir würden daher sehr schnell auf große Schwarze Löcher stoßen und genau darauf legen die Beobachtungen zu J1120+0641 jetzt nahe. Die Forscher schließen auch, dass diese ersten Schwarzen Löcher, die durch direkten Gravitationskollaps entstanden sind, bereits mindestens 100.000 Sonnenmassen enthalten haben müssen.
In allen Fällen werden die erzeugten massiven Schwarzen Löcher dann durch die Ansammlung von Materie wachsen, insbesondere in Form von kalten Filamenten, die auch das Wachstum von Galaxien nach dem im letzten Jahrzehnt etablierten Paradigma bewirken. Kollisionen zwischen Galaxien, gefolgt von VerschmelzungVerschmelzung, wird auch dazu führen, dass massive und supermassereiche Schwarze Löcher zusammenwachsen und wachsen. Es bleibt jedoch das „letzte Parsec-Problem“ zu diesem Thema.
