Astronomie

Warum können supermassereiche Schwarze Löcher nicht verschmelzen? (oder können sie?)

Warum können supermassereiche Schwarze Löcher nicht verschmelzen? (oder können sie?)

Der CNet-Artikel Astronomen entdecken zwei supermassive Schwarze Löcher in einer Todesspirale verbindet sich mit Discovery of a Close-separation Binary Quasar at the Heart of a z ~ 0.2 Merging Galaxy and its Implikationen für niederfrequente Gravitationswellen (verfügbar in ArXiv) und sagt:

Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich normalerweise im Zentrum von Galaxien, einschließlich unserer eigenen, und während einer Galaxienverschmelzung beginnen sie einen Todestanz, drehen sich in einem fast endlosen Walzer umeinander, bis sie schließlich verschmelzen. Allerdings ist den Forschern derzeit unklar, wie lange es dauert, bis Schwarze Löcher verschmelzen – oder ob sie überhaupt verschmelzen.

"Es ist eine große Peinlichkeit für die Astronomie, dass wir nicht wissen, ob supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen", sagte Jenny Greene, Professorin für astrophysikalische Wissenschaften in Princeton und Co-Autorin der Studie. "Für jeden in der Physik Schwarzer Löcher ist dies aus Beobachtungssicht ein seit langem bestehendes Rätsel, das wir lösen müssen."

Dieses Rätsel wird als "Final-Parsec-Problem" bezeichnet. Einige Astronomen glauben, dass, sobald zwei supermassive Schwarze Löcher nahe genug beieinander kommen und ihre Entfernung auf 1 Parsec (3,2 Lichtjahre) reduzieren, sie für eine Ewigkeit tanzen können.

Frage: Wenn sich herausstellt, dass supermassive Schwarze Löcher nicht verschmelzen können oder es schwer haben, was könnten die Gründe dafür sein?


Das Hauptproblem ist der Drehimpuls. Damit zwei gravitativ gebundene Objekte verschmelzen (ob Schwarze Löcher, supermassereiche Schwarze Löcher, Planeten, Sterne usw.), müssen sie genügend Drehimpuls abgeben, damit ihre Bahntrennung klein genug wird. Der durchschnittliche Bahnabstand (Haupthalbachse) wird vollständig aus dem Drehimpuls der Bahn bestimmt (zumindest in der klassischen Mechanik; ich weiß nicht, ob das für relativistische Situationen wie das Verschmelzen von Schwarzen Löchern gilt, wenn sie sich nahe kommen). Die Entfernung des Drehimpulses erfordert Wechselwirkungen mit anderen Objekten.

Wenn zwei Galaxien verschmelzen, haben ihre supermassereichen Schwarzen Löcher beide einen Drehimpuls. Durch ein Phänomen, das als "dynamische Reibung" bekannt ist, verbrauchen Gravitationswechselwirkungen mit anderen Sternen den Schwarzen Löchern einen Großteil ihres Drehimpulses, bis sie auf wenige Parsec oder so voneinander entfernt sind. Zu diesem Zeitpunkt haben die Schwarzen Löcher alle Sterne, die sich in der Region befanden, herausgeschleudert und es gibt (vermutlich) nichts mehr für dynamische Reibung, um ihren Drehimpuls zu schwächen. Sobald die Schwarzen Löcher nahe genug sind (ich weiß nicht, wie nahe ich mir aus dem Kopf stelle), wird die Emission von Gravitationswellen dem umlaufenden Paar ihren verbleibenden Drehimpuls rauben und eine Verschmelzung wird unvermeidlich.

Also zu beantworte deine Frage, der Grund dafür, dass supermassereiche Schwarze Löcher nicht in der Lage sind, sich zu verschmelzen, ist, dass sie zu nahe beieinander liegen, als dass sich im Zentrum der Galaxie noch Material (Sterne, Gas usw.) bereits das Material selbst entfernt, sind aber nicht nahe genug für die Emission von Gravitationswellen, um den Drehimpuls schnell genug zu entfernen, damit ihre Verschmelzung in absehbarer Zeit (im astronomischen Sinne) stattfindet.


Verschmelzen Schwarze Löcher? Supermassive Schwarze Löcher auf Kollisionskurs liefern die Antwort

Astronomen haben ein entferntes Paar Schwarzer Löcher entdeckt – jedes mit einer Masse von 800 Millionen Sonnenmassen – auf dem Weg zu einer Kollision.

Wenn sich die supermassiven Schwarzen Löcher ihrem endgültigen Schicksal nähern, werden sie beginnen, die Wellen von Gravitationswellen durch die Raumzeit zu senden – und damit einen Beitrag zum Hintergrundrauschen der Gravitationswellen anderer supermassiver Schwarzer Löcher leisten.

Noch bevor die Kollision stattfindet, werden die Gravitationswellen, die von dem supermassiven Schwarzen Lochpaar ausgehen, diejenigen, die zuvor bei der Verschmelzung viel kleinerer Schwarzer Löcher und Neutronensternen entdeckt wurden, in den Schatten stellen.

Chiara Mingarelli, Associate Research Scientist am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute in New York City und Mitentdeckerin der Flugbahnen Schwarzer Löcher, sagt: „Supermassive Black Holes Binaries produzieren die lautesten Gravitationswellen im Universum.“

Die Gravitationswellen von supermassereichen Schwarzen Lochpaaren sind millionenfach lauter als die von LIGO detektierten.

Die Entdeckung wurde in einer Studie unter der Leitung von Andy Goulding, einem assoziierten Forschungswissenschaftler an der Princeton University, detailliert beschrieben und in . veröffentlicht Das Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.

Die beiden supermassereichen Schwarzen Löcher sind rund 2,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und damit für Astronomen besonders interessant. Denn das Betrachten weit entfernter Objekte in der Astronomie ist wie ein Blick in die Vergangenheit – die Schwarzen Löcher besetzen ein Universum, das 2,5 Milliarden Jahre jünger ist als unser eigenes. Das ist auch ungefähr die gleiche Zeit, die die Astronomen schätzen, dass die Schwarzen Löcher brauchen werden, um starke Gravitationswellen zu produzieren.

Im heutigen Universum senden die Schwarzen Löcher bereits diese Gravitationswellen aus, aber selbst mit Lichtgeschwindigkeit werden uns die Wellen Milliarden von Jahren nicht erreichen.

Diese Duo-Entdeckung kann Wissenschaftlern helfen, abzuschätzen, wie viele supermassereiche Schwarze Löcher in der Nähe Gravitationswellen aussenden, die wir möglicherweise gerade jetzt entdecken könnten.


Verschmelzen supermassereiche Schwarze Löcher zu Doppelsternsystemen?


Penn State Professor für Astronomie und Astrophysik Micheal Eracleous am Kitt Peak National Observatory in Tuscon, Arizona.

Im Zentrum der meisten Galaxien befinden sich Schwarze Löcher, die so massereich sind – bis zu mehreren Milliarden Mal die Masse unserer Sonne –, dass sie die Bezeichnung “supermassiv” erhalten. Vergleichen Sie dies mit Ihrem Lauf-of-the- Mühle ein schwarzes Loch mit stellarer Masse, ein mickriges 10- bis 100-faches der Masse unserer Sonne. Das Verständnis dieser supermassereichen Schwarzen Löcher wird Astronomen helfen, den Ursprung und die Entwicklung von Galaxien zu verstehen. Eine offene Frage ist, ob sie Binärdateien bilden können.

Schwarze Löcher mit stellarer Masse bilden Doppelsysteme, zwei Schwarze Löcher, die sich umkreisen, wenn sie durch den Kollaps eines Doppelsternsystems entstehen oder möglicherweise, wenn sich zwei Schwarze Löcher in ihrer Anziehungskraft gegenseitig einfangen. Sie drehen sich spiralförmig hinein und verschmelzen schließlich zu einem Ereignis, das so stark ist, dass es eine Welle durch Raum und Zeit sendet, die als Gravitationswelle bekannt ist. Vor einigen Jahren hat das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) erstmals Gravitationswellen eines solchen Ereignisses nachgewiesen.

Theoretisch könnte die Verschmelzung zweier Galaxien also zu einem binären Schwarzen Loch der supermassereichen Art führen, aber bisher haben Astronomen eines dieser Ereignisse nicht eindeutig nachgewiesen. Der Penn State Professor für Astronomie und Astrophysik Michael Eracleous steht an vorderster Front der Jagd.

“Vor ungefähr zehn Jahren wurden mehrere Artikel veröffentlicht, die behaupteten, binäre supermassereiche Schwarze Löcher entdeckt zu haben,” er sagte. “Ich hatte als Doktorand einige Arbeiten zu binären supermassiven Schwarzen Löchern gemacht, also fühlte ich mich gezwungen, ein Projekt zu starten, um viele Daten zu sammeln, um einen Kontrapunkt zu den Behauptungen dieser Papiere zu setzen. Als ich mich darauf einließ, sah ich, wie verbunden es mit der Entwicklung der Galaxie war.”

“Als ich nach Penn State kam, wusste ich, dass die Abteilung perfekt zu meiner Art von Forschung passt,” er sagte. “Ich habe gute Kontakte zu meinen Kollegen hier geknüpft, und jetzt weiß ich, dass, wenn ich jemals feststecke, nur eine Tasse Kaffee und ein Gespräch nötig sind, um die Dinge zu klären.”

Wie suchen Sie also nach etwas, das Sie noch nie gesehen haben?

“In vielen Bereichen der Astronomie steht die Beobachtung an erster Stelle – wir sehen etwas und das beeinflusst unsere Theorie”, sagte Eracleous. “Bei binären supermassereichen Schwarzen Löchern bestimmt die Theorie die Beobachtungen. Bis wir eine finden, lauten die Fragen ‘Sollen sie existieren?’ und ‘Sollen wir danach suchen?’ Und die Antwort auf beide Fragen ist definitiv ‘Ja.”

Ein Hauptunterschied zwischen supermassiven Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern mit stellarer Masse ist Gas. Wenn sich nach der Explosion eines Sterns in einer Supernova schwarze Löcher mit stellarer Masse bilden, wird das meiste Gas weggetrieben. Aber man nimmt an, dass supermassereiche Schwarze Löcher Gase mit sich führen. Diese Gase senden Lichtsignale aus, die hier auf der Erde von großen Teleskopen mit Spektrographen wie dem 11-Meter-Hobby-Eberly-Teleskop (HET) erfasst werden können.

Eracleous erklärte, dass die Gase vom Spektrographen als Emissionslinien einer bestimmten Wellenlänge erkannt werden und der Schlüssel zur Identifizierung eines supermassereichen Binärsystems sein könnten. Während die Schwarzen Löcher einander umkreisen, verschieben sich die Emissionslinien dieser Gase aufgrund des Dopplereffekts. Die Emissionslinien eines Schwarzen Lochs werden zu längeren Wellenlängen verschoben, die des anderen zu kürzeren Wellenlängen. Wissenschaftler erwarten also zwei separate Emissionslinien, eine von jedem Schwarzen Loch.

“Wenn wir den Emissionslinien im Verlauf einer Umlaufbahn folgen könnten, würden wir sehen, wie sie sich hin und her kreuzen, während sich die Signale von jedem Schwarzen Loch in eine Richtung und dann in die andere verschieben,”, sagte Eracleous.

Natürlich ist die eigentliche Suche nicht so einfach. Praktische Dinge wie die begrenzte Verfügbarkeit der Zeit an den großen Teleskopen, die für diese Beobachtungen erforderlich sind, bedeuten, dass Astronomen nicht einfach nur zuschauen und warten können, um die verräterischen Anzeichen eines supermassiven Doppelsterns zu sehen. Aber sie müssen es nicht. Stattdessen identifizieren sie Kandidaten aus einer Erstbefragung und überprüfen regelmäßig, ob sich die Spektren dieser Kandidaten so verändert haben, wie es nach theoretischen Modellen zu erwarten wäre.

“Die Verwendung des Hobby-Eberly-Teleskops für diese Beobachtungen erleichtert uns das Leben, da wir nicht einmal zur Sternwarte gehen müssen, um die Daten zu sammeln”, sagte Eracleous. “Das HET wird von ortsansässigen Astronomen betrieben, die die Beobachtungen machen und uns die Daten senden.”

Der Prozess ist langsam, aber Eracleous erklärte, dass sich die Suche beschleunigen sollte, sobald sie ein binäres supermassives Schwarzes Loch finden.

“Das erste bestätigte binäre supermassive Schwarze Loch wird wie der Rosetta-Stein sein,”, sagte er. “Es wird uns sagen, welche unserer Modelle richtig und welche falsch waren. Dadurch können wir unsere nächsten Suchen verfeinern und sollten in der Lage sein, mehr zu finden.”

Astronomen entwickeln bereits die Technologie für die nächsten Suchen. Eracleous ist an der Planung der Laser Interferometer Space Antenna (LISA) beteiligt. LISA ist für LIGO das, was ein supermassereiches Schwarzes Loch für ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse ist. Während LIGO aus zwei vier Kilometer langen Lasern besteht, die im rechten Winkel zueinander stehen, werden die drei Raumfahrzeuge von LISA durch Laser verbunden, die 2,5 Millionen Kilometer zurücklegen und ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die Größe von LISA und die Tatsache, dass es weltraumbasiert ist, bedeutet, dass es Gravitationswellen mit niedriger Wellenlänge abseits von Rauschquellen hier auf der Erde erkennen kann.

“LISA wird darauf eingestellt, Gravitationswellen zu finden, wie diejenigen, die aus einer Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher resultieren würden,”, sagte Eracleous.

Für Eracleous hat das Department of Astronomy and Astrophysics des Penn State die unterstützende Umgebung zur Verfügung gestellt, die für seine Suche notwendig ist.


Supermassereiche Sterne könnten im Chaos um supermassereiche Schwarze Löcher entstehen

Wenn Sie mich fragen, wo die massereichsten Sterne im Universum existieren könnten, die letzte Ort, den ich vermute, wäre in höllischen Akkretionsscheiben um supermassive Schwarze Löcher.

Doch ein neues Papier, das untersucht, wie sich Sterne in der Nähe dieser Schwarzen Löcher verhalten würden, zeigt genau dies. Nach dieser theoretischen Arbeit können sie sich entweder dort bilden und riesig werden oder sich in der Nähe bilden und gefangen werden, woraufhin dann sie würden riesig werden.

Ich kann mich nicht erinnern, wann ich das letzte Mal ein Tagebuch gelesen und so oft „heiliger Mist“ gemurmelt habe.

Sterne bilden sich normalerweise in riesigen Gas- und Staubwolken. Teile der Wolke kollabieren unter ihrer eigenen Schwerkraft, und diese Knoten kondensieren dann zu Sternen. Massive Sterne verbrennen ihren Kernbrennstoff schnell und explodieren als Supernovae, aber Sterne wie die Sonne leben viel länger. Die Gaswolke löst sich entweder auf oder diese Art von Stern verlässt sie im Laufe der Zeit und führt Milliarden von Jahren ein stabiles Leben im kalten Vakuum des Weltraums.

Was aber, wenn ihre Umgebung kein kaltes Vakuum ist? Was wäre, wenn es stattdessen ein mit Materie übersätes, heftig chaotisches Inferno genau diesseits des unendlichen Sturzes in ein Schwarzes Loch ist?

Künstlerzeichnung eines Blazars, einer Galaxie mit einem supermassiven Schwarzen Loch, das Energie ausspeist. Quelle: DESY, Wissenschaftskommunikationslabor

Leichte Tangente: Große Galaxien haben in ihren Zentren supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- und sogar milliardenfachen Masse der Sonne. Wenn Gas und andere Materie in Richtung Zentrum fallen, fällt das Material nicht direkt hinein – es wirbelt um das Schwarze Loch in einer flachen Scheibe namens Akkretionsscheibe. Reibung macht die Scheibe unglaublich heiß, und sie kann so stark glühen, dass sie die Gesamtzahl aller zehn oder hundert Milliarden Sterne in der Galaxie buchstäblich überstrahlen kann.

Also ja, diese Akkretionsscheiben sind ziemlich extreme Umgebungen.

Unsere eigene Galaxie hat ein supermassereiches Schwarzes Loch namens Sgr A* („Schütze A Stern“), und obwohl es jetzt ruhig ist, war es nicht immer so. Es war sicherlich aktiv, als die Galaxie vor vielen Milliarden Jahren jung war, und es gibt zahlreiche Beweise dafür, dass es auch in jüngerer Zeit aktiv war.

Eine Simulation, die die Positionen und Umlaufbahnen von Sternen zeigt, die das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreisen. Bildnachweis: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Aber die Lautstärke um Sgr A* ist seltsam. Wenn man dem Schwarzen Loch sehr nahe schaut, gibt es Hunderte von massereichen Sternen, die es nur wenige Lichtjahre entfernt umkreisen, weit mehr, als man angesichts des üblichen Anteils an Sternen, die so groß sind, erwarten würde. Es ist, als ob dort etwas die Masse der normalerweise leichteren Sterne tatsächlich erhöht hätte. Außerdem sollten diese Sterne nicht sehr lange leben, also ist es auch so, als ob etwas sie verjüngt hätte und ihr Leben um Millionen von Jahren verlängert hätte.

Astronomen haben spekuliert, dass diese Sterne vielleicht mit einer Akkretionsscheibe um Sgr A* interagierten, als es eine gab. Vielleicht hat das diese Stars irgendwie zu dem gemacht, was sie jetzt sind.

Die neue Arbeit ist die erste, die sich eingehend damit befasst. Die Astronomen verwendeten die bekannte Physik, wie Sterne entstehen und sich entwickeln, aber anstatt dies im Weltraum tun zu lassen, untersuchten sie, wie sich die Gleichungen ändern, wenn die Sterne stattdessen in die Akkretionsscheibe eines supermassiven Schwarzen Lochs eingebettet sind.

Und ja, das ändert die Dinge. Eine ganze Menge.

Schematische Darstellung des Zentrums einer aktiven Galaxie, in der eine Akkretionsscheibe ein supermassereiches Schwarzes Loch speist, wobei beide von einem riesigen Staubtorus umgeben sind. Bildnachweis: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Zum einen sind diese Scheiben viel dichter als Gaswolken, so dass ein Stern viel mehr Material zum Wachsen hat. Sie ziehen das Akkretionsscheibengas durch ihre eigene Schwerkraft an und können recht schnell ziemlich groß werden. Die Astronomen fanden heraus, dass ein Stern relativ klein anfangen kann, aber in nur 70 Millionen Jahren auf fast das 200-fache der Sonnenmasse anwachsen kann! Das ist unglaublich.

Nur sehr wenige Sterne erreichen diese Art von Masse. Das Problem ist, dass sie zu heiß werden: Die Geschwindigkeit, mit der sie durch Kernfusion Energie erzeugen, wächst mit der Masse lächerlich schnell. Wenn Sie das 100- oder 200-fache der Sonnenmasse erreicht haben, sprengt der Stern so hektisch Energie, dass es für Material schwer ist, darauf zu fallen. Ein Gasatom, das durch die Schwerkraft auf den Stern zufällt, spürt aufgrund der intensiven Strahlung, die es trifft, eine nach außen gerichtete Kraft. Wenn sich diese beiden ausgleichen, hört der Stern auf zu wachsen (dies wird als bezeichnet). Eddington-Grenze).

Außerdem verkürzt diese erhöhte Fusionsrate die Lebensdauer des Sterns erheblich. Wenn ihm der Wasserstoff im Kern ausgeht, beginnt er, Helium zu schmelzen. Dieser läuft relativ schnell aus und dann verschmilzt er Kohlenstoff, dann Sauerstoff, dann Silizium… dann Boom. Der Stern explodiert. Supernova. Tschüss. Dies geschieht so schnell, dass der Stern keine Zeit hat, groß zu werden.

Aber in einer Akkretionsscheibe können diese Sterne diese Grenze umgehen. Die Astronomen stellen fest, dass sich dieses Material beim Wachsen eines Sterns durch Zugabe von Wasserstoff aus der Akkretionsscheibe im Inneren des Sterns vermischen und seinen Weg in den Kern finden kann. Dies kann die Uhr der Sterne um viel Zeit verlängern, wie ein Kampfjet, der in der Luft auftankt, und ihnen mehr Zeit zum Wachsen geben.

Der riesige Nebel M1-67 um den Wolf-Rayet-Stern WR124 – ein massereicher Stern, der dieses Gas heftig in den Weltraum blies. Bildnachweis: ESA/Hubble & NASA / Judy Schmidt

Sie fanden auch heraus, dass die Sterne, wenn sie riesig werden, auch einen heftigen Wind wehen, der Material zurück in die Scheibe schickt. Dieses Zeug aus dem Inneren des Sterns enthält aufgrund der Fusion im Kern schwerere Elemente. Das ist sehr interessant, weil man sieht, dass einige Scheiben in anderen Galaxien mehr schwere Elemente enthalten, als man erwarten würde.

An dieser Stelle kann eines von zwei Dingen passieren. 1) Der Stern explodiert und schickt noch mehr schwere Elemente in die Scheibe, während sein Kern kollabiert, um ein Schwarzes Loch zu bilden, oder b) der Einstrom von Materie, die die Akkretionsscheibe erzeugt, aus irgendeinem Grund erstickt, die Scheibe fällt in das Schwarze Loch , und was übrig bleibt, ist ein Haufen verjüngter Sterne, die ein ruhiges supermassives Schwarzes Loch umkreisen.

Letzteres ist genau das, was wir bei Sgr A* sehen. Hmmm.

Im ersteren Fall könnte man jedoch erwarten, dass Dutzende, wenn nicht Hunderte kleinerer schwarzer Löcher das supermassive umkreisen. Diese Schwarzen Löcher könnten verschmelzen, wenn sie in dem engen Raum um das galaktische Zentrum zusammengedrängt werden. Wenn sie das tun, stoßen sie Gravitationswellen aus, die von der Erde aus nachgewiesen werden können … und so etwas wurde möglicherweise 2019 gesehen. Es ist kein Beweis, aber es ist interessant.

Um es klar zu sagen, diese Arbeit ist noch theoretisch, und es gibt noch keine direkten Beweise dafür. Selbst einer dieser supermassiven überleuchtenden Sterne wäre vor dem in die Augen brennenden Hintergrundlicht einer Akkretionsscheibe schwer zu erkennen. Aber die Sterne um unser eigenes lokales supermassereiches Schwarzes Loch Sgr A* unterstützen diese Idee indirekt.


Supermassive Schwarze Löcher erklärt

Die Astrophysikerin Julie Comerford und ihre Gruppe erklären, was supermassereiche Schwarze Löcher sind und warum sie so fantastisch und mysteriös sind.

STIMME 1: Ein Schwarzes Loch ist eine Region des Weltraums, in der die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Alles mit Masse kann zu einem Schwarzen Loch werden. Angenommen, du wiegst 150 Pfund und ich drücke dich auf eine Nummer kleiner als ein Quark zusammen, dann würdest du ein Schwarzes Loch werden. Oder nimm die Sonne. Komprimieren Sie die Sonne auf einen Radius von 2 Meilen und die Sonne kollabiert und wird zu einem schwarzen Loch.

Eine Möglichkeit, ein Schwarzes Loch zu erzeugen, ist der Tod eines Sterns. Wenn Sie einen Stern haben, der die 20-fache Masse der Sonne oder mehr hat, dann explodiert dieser Stern im Laufe seines Lebens als Supernova und was nach der Explosion übrig bleibt, ist ein Schwarzes Loch.

Aber dann gibt es schwarze Löcher, die viel, viel größer sind, also eine Million bis eine Milliarde Mal die Masse der Sonne. Und das nennt man supermassereiche Schwarze Löcher. Nicht nur massiv, das ist nicht gut genug, es muss supermassiv sein. Und es stellt sich heraus, dass jede große Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum hat.

Was meine Gruppe macht, ist, dass wir die Frage stellen: Wie haben diese supermassiven Schwarzen Löcher ihre Masse aufgebaut? Wir verstehen diesen Teil nicht.

STIMME 2: Eines der großen Geheimnisse hier ist, woher diese Objekte kommen? Wenn wir diese supermassiven Schwarzen Löcher überall beobachten und wie erreichen sie diese riesigen Massen? Diese supermassiven Schwarzen Löcher saugen kein Material an. Das ist ein sehr verbreiteter Irrglaube. Wenn Sie ein schwarzes Loch sehen, werden Sie nicht einfach hineingesaugt. Sie werden es umkreisen, als wäre es eine Punktmasse. Wenn unsere Sonne zum Beispiel ein Schwarzes Loch werden würde, würden wir es weiterhin umkreisen.

Worüber ich zuerst nachgedacht habe, war, warum man nicht einfach eine Galaxie haben kann, die nur eine Tonne Gas enthält und dieses Schwarze Loch einfach füttert, um es zu diesem Schwarzen Loch mit Milliarden Sonnenmasse zu machen. Aber diese Art von Prozessen, es einfach direkt zu füttern, das ist nicht genug Material, um es zu dem wachsen zu lassen, was wir beobachten.

Daher untersuchen wir als Gruppe speziell supermassereiche Schwarze Löcher, die oft eine Art große Verschmelzung zwischen Galaxien durchlaufen. Und wir denken, dass die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher vielleicht einer der Faktoren ist, die erklären könnten, warum sie im aktuellen Universum so groß sind.

Also suchen wir nach dem, was wir ein Quasarpaar nennen.

STIMME 1: Ein Quasar ist also ein supermassives Schwarzes Loch mit dieser großen Akkretionsscheibe aus wirbelndem Gas und ist wirklich sehr hell. Ein Quasar ist also wie ein Schwarzes Loch, das man sehen kann. Das größte Paradox an Schwarzen Löchern ist, dass sie die schwärzesten Dinge im Universum sind, aber auch einige der hellsten Dinge im Universum. Und das liegt daran, dass wenn Sie ein Schwarzes Loch haben und etwas Gas gravitativ angezogen wird, das Gas nicht einfach hineinfällt. Genauso wie wenn Sie Ihre Badewanne mit Wasser füllen und den Stecker ziehen, wird das Wasser nicht einfach direkt in den Abfluss fallen. Es wirbelt herum und geht dann hinein.

Dasselbe passiert also mit Gas um ein Schwarzes Loch herum. Gas wird durch die Schwerkraft angezogen, es wirbelt herum und es bildet dieses Ding, das Akkretionsscheibe genannt wird, es ist nur eine Gasscheibe, die darauf wartet, in das Schwarze Loch zu fallen. Aber das Schwarze Loch hat so viel Masse, man ist ihm so nah, dass das Gas sehr schnell wirbelt, es erwärmt sich und strahlt viel, viel Licht aus. Diese Akkretionsscheibe kann also mehr Licht erzeugen als alle Sterne in der Galaxie zusammen.

STIMME 3: Angenommen, Sie haben zwei Galaxien mit jeweils einem eigenen supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum. Wenn diese beiden Galaxien verschmelzen, kommen die beiden supermassiven Schwarzen Löcher zusammen und bilden ein Schwarzes-Loch-Paar. Das Schwarze-Loch-Paar verschmilzt dann zu einem weiteren massereichen Schwarzen Loch.

Die Galaxienverschmelzung selbst verursacht auch eine enorme Störung der Sterne und des Gases in diesen verschmelzenden Galaxien. Es ist wie ein Zugwrack aus gestörtem Gas, bei dem ein Großteil des Gases in Richtung des Zentrums der Galaxie geleitet wird und das supermassive Schwarze Loch im Zentrum speist. Was wir versuchen, ist herauszufinden, wie sehr Galaxienverschmelzungen die Art und Weise verändern können, wie Schwarze Löcher und Galaxien sich gemeinsam entwickeln.

STIMME 4: Es ist faszinierend, sich vorzustellen, dass etwas von der Größe eines Pennys (das wäre das supermassive Schwarze Loch) einen Einfluss auf etwas so Großes wie die Erde (das wäre die Galaxie) haben könnte.

Die Art und Weise, wie sich Schwarze Löcher entwickeln, ist eng mit der Art und Weise verbunden, wie sich Galaxien entwickeln. Wenn ich die Masse der Galaxie gegen die Masse des Schwarzen Lochs auftragen würde, würden Sie feststellen, dass dies eine enge Linie ist, bei der die Masse des Schwarzen Lochs im Gleichschritt mit dem Gas der Galaxie zunimmt. Um zu verstehen, wie sich Galaxien entwickeln, muss man also verstehen, wie sich Schwarze Löcher entwickeln.

STIMME 1: Ich denke, wir sind als Spezies einzigartig, weil wir dafür bezahlen, Teleskope zu bauen, um diese großen Fragen unserer Herkunft und unserer Herkunft zu verstehen. Glaubst du, ein Affe würde eine Banane aufgeben, um mehr darüber zu verstehen, woher sie kommt? Nein. Ein Affe würde diese Banane festhalten und sagen: "Du kannst sie mir nicht wegnehmen". Ihr werdet also nicht in der Lage sein, hinauszugehen und irgendetwas an der Art und Weise zu ändern, wie sich das Universum entwickelt und Galaxien kollidieren, sie werden euch auf persönlicher Ebene nicht beeinflussen. Aber unser Leben würde sich ändern, wenn wir auch in einem etwas größeren Kontext denken könnten, wie zum Beispiel in einem globalen Kontext und der Sorge um unseren Planeten.

Dies ist nur ein Teil davon, uns selbst dazu zu bringen, ein bisschen größer auszusehen. Größer als nur das, was direkt vor unserer Nase liegt.


Das Konzept der Mini-Schwarzen Löcher wurde erstmals 1971 von Stephen Hawking eingeführt. Diese Schwarzen Löcher sind kleiner als die stellaren Schwarzen Löcher.

Formation:

2. Stellare Schwarze Löcher (oder Schwarze Löcher mit stellarer Masse)

Diese Schwarzen Löcher entstehen, wenn ein Stern mit 5 bis mehreren zehn Sonnenmassen am Ende seines Lebenszyklus kollabiert.

Diese Schwarzen Löcher sind auch bekannt als kollabiert . Diese Schwarzen Löcher sind normalerweise zehnmal größer als unsere Sonne.

Dies sind die häufigsten Arten von Schwarzen Löchern.

Formation

Diese Schwarzen Löcher entstehen, wenn ein Stern mit einer größeren Masse als unsere Sonne am Ende seines Lebenszyklus zusammenbricht.

3. Schwarze Löcher mittlerer Masse

Mittlere Schwarze Löcher sind Schwarze Löcher mit einer Masse zwischen 10^2 - 10^9 Sonnenmassen.

Nun, diese Kategorie wird als intermediäre Schwarze Löcher bezeichnet. Diese Schwarzen Löcher sind größer als die stellaren Schwarzen Löcher, aber kleiner als die riesigen supermassiven Schwarzen Löcher.

Entdeckungen

Am 29. Mai 2019 wurden von den Astronomen einige Wellen entdeckt. Das hieß GW190521.

Nach Recherchen und weiteren Studien fanden wir heraus, dass diese Gravitationswellen durch die Verschmelzung zweier stellarer Schwarzer Löcher erzeugt wurden.

Die kleinere davon hatte 65 Sonnenmassen und die größere hatte 85 Sonnenmassen.

Für diejenigen, die nicht wussten, was eine Sonnenmasse ist: Die Sonnenmasse ist eine Standard-Masseneinheit in der modernen Astronomie und entspricht ungefähr 2 x 10^30 Kilogramm. Diese Masse ist ungefähr gleich der Masse unserer Sonne.

Jedenfalls haben die beiden Schwarzen Löcher, die sich verschmolzen haben, ein neues großes Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen gebildet, das in die Kategorie der mittleren Schwarzen Löcher fällt.

Glaubst du, die Addition von 85 und 65 ist 150, wie kann die Masse dann 142 Sonnenmassen sein??

Die Antwort auf diese Frage ist die 9 Sonnenmassen war ausgestrahlt weg von den Schwarzen Löchern in Form von Gravitationswellen die wir erhalten haben.

Dies war der am 2. September 2020 veröffentlichte Beobachtungsbeweis der Schwarzen Löcher mittlerer Masse. Dies ist der stärkste jemals gefundene!

Vor diesen Entdeckungen, A Team von Astronomengemeldet an Infrarot und ein Funkobjekt in der Nähe des galaktisches Zentrum namens GCIRS 13E.

Dies war das erste gemeldete Schwarze Loch mittlerer Masse in unserer Galaxie, das die Schütze A. Schütze A ist der Name des Ortes, an dem ein supermassereiches Schwarzes Loch existiert.

Diese Astronomen sagen voraus, dass es sich bei diesem Objekt um ein schwarzes Loch mittlerer Masse handelte, das etwa 3 Lichtjahre vom Schützen A entfernt kreiste.

Die Vorhersagen von Astronomen sagen, dass dies etwa 1300 Sonnenmassen sind.

Formation

Diese Schwarzen Löcher sind zu groß und massiv. Deshalb entstehen sie nicht wie stellare Schwarze Löcher durch den Kollaps des Sterns am Ende seines Lebenszyklus.

Sie können auf folgende drei Arten gebildet werden:

  • Die Verschmelzung zweier stellarer Schwarzer Löcher.
  • Die außer Kontrolle geratene Kollision massereicher Sterne in dichten Sternhaufen und der Kollaps des Kollisionsprodukts zu einem IBMH (Intermediate Mass Black Hole).
  • Das dritte ist, dass es sich um Primordial Black Holes handelt.

Sternhaufen sind eine sehr große Gruppe von Sternen.

Ursprüngliche Schwarze Löcher sind die hypothetische schwarze Löcher die wurden kurz nach dem Urknall gebildet.

Zur Zeit des frühen Universums hohe Dichten und heterogen Bedingungen meine die Gründe, Urzeitliche Schwarze Löcher zu bilden.


Wie finden Astronomen Schwarze Löcher? Sie schauen auf das Weltraumgas!

Schwarze Löcher werden so genannt, weil sie im Wesentlichen schwarz sind. Ein Schwarzes Loch ist ein Ort im Weltraum mit einer so starken Anziehungskraft, dass Licht nicht einmal herauskommen kann. Aus diesem Grund können Astronomen Schwarze Löcher nicht “sehen”. Aber sie können sie finden, indem sie das Verhalten von Gas und Sternen im Weltraum beobachten.

In seltenen Fällen können zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Wissenschaftler können Verschmelzungen mit Gravitationswellendetektoren finden, aber sie können nicht genau sehen, wo sie stattgefunden haben. Mit einer „Lichtsignatur“, sagen Autoren eines neuen Artikels in Die Briefe des Astrophysikalischen Journals, konnten Forscher viel mehr über die Veranstaltung erfahren. Die Autoren beschreiben eine Situation, die es Wissenschaftlern ermöglichen könnte, in Zukunft Fusionen zu beobachten. Zu den Autoren der Studie gehören Professoren D. Barry McKernan und K. E. Saavik Ford, beide von Borough of Manhattan Community College und The Graduate Center.

Wissenschaftler glauben, dass manchmal Ansammlungen von Schwarzen Löchern gefunden werden können, die supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien umkreisen. Die kleineren, umkreisenden Schwarzen Löcher paaren sich gelegentlich und umkreisen einander, während sie gleichzeitig das größere Schwarze Loch umkreisen und manchmal auseinanderbrechen, um einen anderen Partner zu umkreisen. In seltenen Fällen können diese Paare zu einem verschmelzen.

Wenn eine große Menge Gas in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs gezogen wird, könnten Wissenschaftler laut dem neuen Papier eine Art Blitz sehen, wenn eine solche Verschmelzung stattfindet. Wenn Gas auf ein supermassereiches Schwarzes Loch fällt, bildet es eine Scheibe um das Loch, und diese Scheibe würde auch die kleineren, umlaufenden Schwarzen Löcher umgeben. Wenn zwei der kleineren Schwarzen Löcher zu verschmelzen beginnen, nimmt ihr Momentum zu, und Gas in ihrer Umgebung würde ihre Anziehungskraft stärker spüren.

„Wenn das Fusionsprodukt versucht, ‘seins’O-Gas mitzunehmen – ein großes Problem“, sagte Ford. „Das an das Fusionsprodukt gebundene Gas kollidiert mit dem Rest des Gases in der Scheibe und erwärmt sich, wodurch eine potenzielle Fackel entsteht.“

Aber dieses Aufflackern wäre das Gegenteil eines Problems für Astronomen. Unter den richtigen Bedingungen könnten Forscher diesen Flare möglicherweise mit leistungsstarken Teleskopen beobachten und zum ersten Mal zwei Schwarze Löcher „sehen“, die verschmelzen.


Warum kann LIGO Kollisionen von supermassiven Schwarzen Löchern nicht erkennen?

Ich bin nicht einverstanden. Der Ausdruck "supermassives Schwarzes Loch" hat eine wohldefinierte astrophysikalische Bedeutung. Wikipedia sagt zum Beispiel:

&Quote supermassives Schwarzes Loch (SMBH oder manchmal SBH) ist die größte Art von Schwarzen Löchern mit einer Masse in der Größenordnung von Hunderttausenden bis Milliarden Mal der Masse der Sonne (M☉)."

Ich bin nicht einverstanden. Der Ausdruck "supermassives Schwarzes Loch" hat eine wohldefinierte astrophysikalische Bedeutung. Wikipedia sagt zum Beispiel:

&Quote supermassives Schwarzes Loch (SMBH oder manchmal SBH) ist die größte Art von Schwarzen Löchern mit einer Masse in der Größenordnung von Hunderttausenden bis Milliarden Mal der Masse der Sonne (M☉)."

Ich denke, das ist nicht ganz das gleiche Problem. Dieser Artikel schlägt vor, eine indirekte Detektion zu verwenden – die Beobachtung der Wirkung von Gravitationswellen auf die detektierte Tickrate entfernter Pulsare. Und sie schlagen vor, vor der letzten Inspiration viel, viel länger zu suchen - Millionen von Jahren, nicht Sekunden. Ich glaube nicht, dass diese Methodik die Sensibilität hätte, um aufzugreifen, wonach LIGO sucht. Andererseits denke ich, dass es enorm niedrigere Frequenzen erkennen kann. Aus diesem Grund betrachten sie SMBHs (enorme Leistungsabgabe) früh in der Spirale (enorme Wellenlänge).


Warum können supermassereiche Schwarze Löcher nicht verschmelzen? (oder können sie?) - Astronomie

Es wurde beobachtet, dass Schwarze Löcher Jets von Hochgeschwindigkeitsteilchen mit fast Lichtgeschwindigkeit von ihren Polen entlang ihrer Spinachse ausstoßen. Da ein Schwarzes Loch ein so starkes Gravitationsfeld innerhalb des Schwartzschild-Radius hat, dass nichts (nicht einmal Photonen) entweichen können, wie kommt es, dass diese materiellen Teilchen entkommen und welche Kraft sie auf so hohe Geschwindigkeit beschleunigt?

Sie haben Recht, dass Hochgeschwindigkeitsteilchen in Jets entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs vom Schwarzen Loch weg beschleunigt werden. Dieses Jet-Phänomen manifestiert sich auf der Skala supermassereicher Schwarzer Löcher als Aktive Galaktische Kerne und auf der Skala stellarer Schwarzer Löcher als "Mikroquasare". Wahrscheinlich ist die Physik in beiden Fällen ähnlich, obwohl die Größenskalen sehr unterschiedlich sind. Die kurze Antwort auf Ihre Frage sind die Teilchen, aus denen Astronomen noch immer die Details der Jet-Bildung und -Beschleunigung studieren, aber die vorherrschende Idee ist, dass sie auf starke Magnetfelder zurückzuführen ist. Stellen Sie sich eine Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch vor. Because of the high temperatures in the disk, the gas is ionized and forms a plasma. There are also likely strong magnetic fields that thread through the disk, and because of the laws of electromagnetism, are essentially "frozen into" the accretion disk. That means as the particles spiral into the black hole they drag the magnetic fields causing them to twist. Eventually the magnetic fields will become so strong that instead of the particles dragging the magnetic field accelerates the particles toward the poles. They then go flying out in the form of jets. It turns out that jets are a common theme in astrophysics. In addition to being seen around black holes, they're also seen around star forming regions. Astrophysicists think that jets serve an important function of getting rid of angular momentum in a system. Otherwise the accretion disk or protostar would fly apart because conservation of angular momentum would require it to spin very rapidly.

About the Author

Laura Spitler

Laura Spitler was a graduate student working with Prof. Jim Cordes. After graduating in 2013, she went on to a postdoctoral fellowship at the Max Planck Institute in Bonn, Germany. She works on a range of projects involving the time variability of radio sources, including pulsars, binary white dwarfs and ETI. In particular she is interested in building digital instruments and developing signal processing techniques that allow one to more easily identify and classify transient sources.


Gravitationswellen

The new insight provided by Schiavi and the team shows what will happen to the supermassive black holes (SMBH) at the centers of both galaxies. According to them, the SMBHs will coalesce around 16.6 billion years after the merge.

The team has also estimated what kind of signal the coalescence will leave. The results have shown the emission left would only be detected by a gravitational wave detector sensitive enough, like LISA.

This illustration shows a stage in the predicted merger between our Milky Way galaxy and the neighboring Andromeda galaxy, as it will unfold over the next several billion years. In this image, representing Earth’s night sky in 3.75 billion years, Andromeda (left) fills the field of view and begins to distort the Milky Way with tidal pull. (Credit: NASA ESA Z. Levay and R. van der Marel, STScI T. Hallas and A. Mellinger)

According to a previous NASA simulation, the collision will start in 4 billion years, and the recent simulation suggests a potentially longer wait time of 4-5 billion years. According to the same NASA results, it’s unlikely that all stars will collide. The possible scenario is that many systems, like ours will be pushed to different orbits. What the merging of the SMBHs is going to change for the stars is still unknown.