Vom kosmischen Staub zu gigantischen schwarzen Löchern: Der Wachstumsprozess über Milliarden Jahre

BerlinWissenschaftler beginnen zu verstehen, wie supermassive Schwarze Löcher so groß werden. Eine Gruppe von Astronomen der Penn State Universität untersuchte das Wachstum dieser Schwarzen Löcher über einen Zeitraum von 12 Milliarden Jahren. Dazu nutzten sie neue Röntgenbeobachtungen und Computersimulationen.

Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum von Galaxien und haben eine Masse, die Millionen- bis Milliardenfach größer ist als die der Sonne. Diese Studie untersucht das Wachstum dieser Schwarzen Löcher von 1,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall bis heute, insgesamt 13,8 Milliarden Jahre später.

Das fanden sie heraus:

• Schwarze Löcher wachsen, indem sie kaltes Gas aus ihren Heimatgalaxien aufnehmen.
• Sie vergrößern sich auch durch Verschmelzungen mit anderen supermassereichen Schwarzen Löchern bei Galaxienkollisionen.
• Das wachstumsbedingte Einfangen kann anhand von Röntgendaten nachverfolgt werden.
• Verschmelzungen tragen besonders in den letzten 5 Milliarden Jahren signifikant zum Wachstum bei.

Das Team umfasst Fan Zou, einen Doktoranden der Penn State und Erstautor der Veröffentlichungen, sowie Forscher verschiedener Institutionen. Sie haben Daten von folgenden Quellen analysiert:

• Chandra-Röntgenobservatorium der NASA
• Newton-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA)
• eROSITA-Teleskop des Max-Planck-Instituts

Sie untersuchten das Wachstum von Schwarzen Löchern in über 1,3 Millionen Galaxien, darunter mehr als 8.000 schnell wachsende Schwarze Löcher. Diese große Anzahl an Proben half ihnen, fundierte Schlussfolgerungen zu ziehen.

Studien zeigen, dass größere Galaxien schneller ihre Schwarzen Löcher durch das Aufsaugen von Material erweitern. Dieses Muster ist in allen Epochen des Universums konsistent. Forscher nutzten Supercomputersimulationen des IllustrisTNG-Projekts, um dieses Wachstum durch Galaxienverschmelzungen zu verfolgen.

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Neue Erkenntnisse: Dynamik individueller und kollektiver Überzeugungen

Ihre Methode kombiniert echte Daten über die Massenzunahme von schwarzen Löchern mit Computermodellen von deren Kollisionen. Diese Herangehensweise bietet die klarste Einsicht in das Wachstum von supermassiven schwarzen Löchern. Der größte Teil dieses Wachstums resultiert aus Materie, die in das schwarze Loch fällt, doch auch Kollisionen haben, insbesondere in jüngerer kosmischer Zeit, eine bedeutende Rolle gespielt.

Die Forschung zeigt, dass sehr große Schwarze Löcher schneller wuchsen, als das Universum jünger war. Vor 7 Milliarden Jahren hat das Wachstum dieser Schwarzen Löcher größtenteils aufgehört.

Wissenschaftler untersuchten das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, das die Masse unserer Sonne um das Viermillionenfache übertrifft. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Schwarze Loch erst später in der Geschichte des Universums gewachsen ist.

Das Forscherteam setzt sich aus folgenden Mitgliedern zusammen:

• Zhibo Yu, Doktorand an der Penn State University
• Hyungsuk Tak, Assistenzprofessor an der Penn State University
• Elena Gallo, University of Michigan
• Bin Luo, Nanjing-Universität, China
• Qingling Ni, Max-Planck-Institut, Deutschland
• Yongquan Xue, Universität für Wissenschaft und Technologie China
• Guang Yang, Universität Groningen, Niederlande

Diese Forschung wurde von der U.S. National Science Foundation, dem Chandra X-ray Center und der Penn State University finanziert. Die Ergebnisse der IllustrisTNG-Simulation, die mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt wurden, haben ebenfalls maßgeblich zu dieser Arbeit beigetragen.