Supermassives Schwarzes Loch -Supermassive black hole

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Dies ist das erste direkte Bild eines supermassereichen Schwarzen Lochs, das sich im galaktischen Kern von Messier 87 befindet . Es zeigt die Radiowellenemission eines beheizten Akkretionsrings, der das Objekt mit einem mittleren Abstand von 1000 umkreist350 AE oder zehnmal größer als die Umlaufbahn von Neptun um die Sonne. Das dunkle Zentrum ist der Ereignishorizont und sein Schatten. Das Bild wurde 2019 von der Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht.

Ein supermassereiches Schwarzes Loch ( SMBH oder manchmal SBH ) ist die größte Art von Schwarzen Löchern, mit einer Masse in der Größenordnung von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen ( M ) . Schwarze Löcher sind eine Klasse von astronomischen Objekten, die einem Gravitationskollaps unterzogen wurden und kugelförmige Regionen des Weltraums hinterlassen haben, denen nichts entkommen kann, nicht einmal Licht . Beobachtungen deuten darauf hin, dass fast jede große Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat. Zum Beispiel hat die Milchstraße in ihrem galaktischen Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch, das der Radioquelle Sagittarius A* entspricht . Die Akkretion von interstellarem Gas auf supermassereichen Schwarzen Löchern ist der Prozess, der für die Energieversorgung aktiver galaktischer Kerne und Quasare verantwortlich ist .

Das Event Horizon Telescope hat zwei supermassive Schwarze Löcher direkt abgebildet : das Schwarze Loch in der riesigen elliptischen Galaxie Messier 87 und das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße .

Beschreibung

Supermassereiche Schwarze Löcher werden klassisch als Schwarze Löcher mit einer Masse über 0,1 Millionen bis 1 Million M definiert . Einige Astronomen haben damit begonnen, Schwarze Löcher von mindestens 10 Milliarden M als ultramassereiche Schwarze Löcher zu bezeichnen. Die meisten von ihnen (wie TON 618 ) sind mit außergewöhnlich energiereichen Quasaren assoziiert. Noch größere wurden als erstaunlich große Schwarze Löcher (SLAB) mit Massen von mehr als 100 Milliarden M bezeichnet . Obwohl sie feststellten, dass es derzeit keine Beweise dafür gibt, dass erstaunlich große Schwarze Löcher real sind, stellten sie fest, dass supermassereiche Schwarze Löcher von fast dieser Größe existieren. Einige Studien deuten darauf hin, dass die maximale Masse, die ein Schwarzes Loch erreichen kann, obwohl es leuchtende Akkretoren ist, in der Größenordnung von etwa 50 Milliarden M liegt .

Supermassereiche Schwarze Löcher haben physikalische Eigenschaften, die sie deutlich von Klassifikationen geringerer Masse unterscheiden. Erstens sind die Gezeitenkräfte in der Nähe des Ereignishorizonts für supermassereiche Schwarze Löcher deutlich schwächer. Die Gezeitenkraft auf einen Körper am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse des Schwarzen Lochs: Eine Person am Ereignishorizont eines 10 Millionen M Schwarzen Lochs erfährt etwa die gleiche Gezeitenkraft zwischen Kopf und Füßen wie ein Mensch auf der Erdoberfläche. Anders als bei Schwarzen Löchern mit stellarer Masse würde man erst sehr tief im Schwarzen Loch eine signifikante Gezeitenkraft erfahren. Darüber hinaus ist es etwas kontraintuitiv zu bemerken, dass die durchschnittliche Dichte eines SMBH innerhalb seines Ereignishorizonts (definiert als die Masse des Schwarzen Lochs dividiert durch das Raumvolumen innerhalb seines Schwarzschild-Radius ) geringer sein kann als die Dichte von Wasser . Denn der Schwarzschild-Radius ist direkt proportional zu seiner Masse . Da das Volumen eines kugelförmigen Objekts (z. B. des Ereignishorizonts eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs) direkt proportional zur dritten Potenz des Radius ist, ist die Dichte eines Schwarzen Lochs umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse und damit höher Masse Schwarze Löcher haben eine geringere durchschnittliche Dichte .

Der Schwarzschild-Radius des Ereignishorizonts eines (nicht rotierenden) supermassiven Schwarzen Lochs von ~1 Milliarde M ist vergleichbar mit der großen Halbachse der Umlaufbahn des Planeten Uranus, die 19 AE beträgt .

Geschichte der Forschung

Die Geschichte, wie supermassereiche Schwarze Löcher gefunden wurden, begann mit der Untersuchung der Radioquelle 3C 273 durch Maarten Schmidt im Jahr 1963. Anfangs dachte man, es handele sich um einen Stern, aber das Spektrum erwies sich als rätselhaft. Es wurde festgestellt, dass es sich um rotverschobene Wasserstoffemissionslinien handelte, was anzeigte, dass sich das Objekt von der Erde entfernte. Das Gesetz von Hubble zeigte, dass sich das Objekt mehrere Milliarden Lichtjahre entfernt befand und daher das Energieäquivalent von Hunderten von Galaxien aussenden musste. Die Rate der Lichtvariationen der Quelle, die als quasi-stellares Objekt oder Quasar bezeichnet wird, deutete darauf hin, dass die emittierende Region einen Durchmesser von einem Parsec oder weniger hatte. Bis 1964 waren vier solcher Quellen identifiziert worden.

1963 schlugen Fred Hoyle und WA Fowler die Existenz von wasserstoffverbrennenden supermassereichen Sternen (SMS) als Erklärung für die kompakten Abmessungen und die hohe Energieabgabe von Quasaren vor. Diese hätten eine Masse von etwa 10 5 – 10 9 M . Richard Feynman stellte jedoch fest, dass Sterne oberhalb einer bestimmten kritischen Masse dynamisch instabil sind und zu einem Schwarzen Loch kollabieren würden, zumindest wenn sie nicht rotieren würden. Fowler schlug dann vor, dass diese supermassereichen Sterne eine Reihe von Kollaps- und Explosionsoszillationen durchlaufen würden, wodurch das Muster der Energieabgabe erklärt würde. Appenzeller und Fricke (1972) bauten Modelle dieses Verhaltens, stellten jedoch fest, dass der resultierende Stern immer noch kollabieren würde, und schlossen daraus, dass er nicht rotiert0,75 × 10 6 M SMS „kann dem Kollaps zu einem Schwarzen Loch nicht entgehen, indem es seinen Wasserstoff durch den CNO-Zyklus verbrennt “.

Edwin E. Salpeter und Yakov Zeldovich machten 1964 den Vorschlag, dass Materie, die auf ein massives, kompaktes Objekt fällt, die Eigenschaften von Quasaren erklären würde. Es würde eine Masse von etwa 10 8 M erfordern, um die Leistung dieser Objekte zu erreichen. Donald Lynden-Bell stellte 1969 fest, dass das einfallende Gas eine flache Scheibe bilden würde, die sich spiralförmig in die zentrale „ Schwarzschild-Kehle “ windet. Er stellte fest, dass die relativ geringe Leistung nahe gelegener galaktischer Kerne implizierte, dass es sich um alte, inaktive Quasare handelte. In der Zwischenzeit schlugen Martin Ryle und Malcolm Longair 1967 vor, dass fast alle Quellen extragalaktischer Radioemissionen durch ein Modell erklärt werden könnten, in dem Teilchen mit relativistischen Geschwindigkeiten aus Galaxien ausgestoßen werden ; Das heißt, sie bewegen sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit . Martin Ryle, Malcolm Longair und Peter Scheuer schlugen dann 1973 vor, dass der kompakte zentrale Kern die ursprüngliche Energiequelle für diese relativistischen Jets sein könnte .

Arthur M. Wolfe und Geoffrey Burbidge stellten 1970 fest, dass die große Geschwindigkeitsstreuung der Sterne in der Kernregion elliptischer Galaxien nur durch eine große Massenkonzentration im Kern erklärt werden kann; größer als durch gewöhnliche Sterne erklärt werden könnte. Sie zeigten, dass das Verhalten durch ein massereiches Schwarzes Loch mit bis zu 10 10 M oder eine große Anzahl kleinerer Schwarzer Löcher mit Massen unter 10 3 M erklärt werden kann . Dynamische Beweise für ein massives dunkles Objekt wurden 1978 im Kern der aktiven elliptischen Galaxie Messier 87 gefunden, auf die ursprünglich geschätzt wurde5 × 10 9 M . Die Entdeckung eines ähnlichen Verhaltens in anderen Galaxien folgte bald darauf, einschließlich der Andromeda-Galaxie im Jahr 1984 und der Sombrero-Galaxie im Jahr 1988.

Donald Lynden-Bell und Martin Rees stellten 1971 die Hypothese auf, dass das Zentrum der Milchstraße ein massives Schwarzes Loch enthalten würde. Sagittarius A* wurde am 13. und 15. Februar 1974 von den Astronomen Bruce Balick und Robert Brown mit dem Green Bank Interferometer des National Radio Astronomy Observatory entdeckt und benannt . Sie entdeckten eine Radioquelle, die Synchrotronstrahlung aussendet ; Es wurde festgestellt, dass es aufgrund seiner Gravitation dicht und unbeweglich ist. Dies war also der erste Hinweis darauf, dass im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch existiert.

Das 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop lieferte die Auflösung, die für genauere Beobachtungen von Galaxienkernen erforderlich ist. 1994 wurde der Spektrograph für schwache Objekte auf dem Hubble verwendet, um Messier 87 zu beobachten, wobei festgestellt wurde, dass ionisiertes Gas den zentralen Teil des Kerns mit einer Geschwindigkeit von ±500 km/s umkreist. Die Daten zeigten eine konzentrierte Masse von(2,4 ± 0,7) × 10 9 M lagen innerhalb von a0,25 Spannweite, was einen starken Beweis für ein supermassereiches Schwarzes Loch liefert. Unter Verwendung des Very Long Baseline Array zur Beobachtung von Messier 106, Miyoshi et al. (1995) konnten zeigen, dass die Emission eines H 2 O - Masers in dieser Galaxie von einer gasförmigen Scheibe im Kern stammte, die eine konzentrierte Masse von H 2 O umkreiste3,6 × 10 7 M , was auf einen Radius von 0,13 Parsec beschränkt war. Ihre bahnbrechende Forschung stellte fest, dass ein Schwarm von Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse in einem so kleinen Radius nicht lange überleben würde, ohne Kollisionen zu erleiden, was ein supermassereiches Schwarzes Loch zum einzig brauchbaren Kandidaten macht. Begleitend zu dieser Beobachtung, die die erste Bestätigung supermassiver Schwarzer Löcher lieferte, war die Entdeckung der stark verbreiterten, ionisierten Eisen-Kα-Emissionslinie (6,4 keV) der Galaxie MCG-6-30-15. Die Verbreiterung war auf die gravitative Rotverschiebung des Lichts zurückzuführen, als es nur 3 bis 10 Schwarzschild-Radien vom Schwarzen Loch entfernt war.

Am 10. April 2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope -Kollaboration das erste Bild eines Schwarzen Lochs im Horizontmaßstab im Zentrum der Galaxie Messier 87.

Im Februar 2020 berichteten Astronomen, dass ein Hohlraum im Ophiuchus-Superhaufen, der aus einem supermassiven Schwarzen Loch stammt, das Ergebnis der größten bekannten Explosion im Universum seit dem Urknall ist .

Im März 2020 schlugen Astronomen vor, dass zusätzliche Unterringe den Photonenring bilden sollten, und schlugen eine Möglichkeit vor, diese Signaturen im ersten Bild eines Schwarzen Lochs besser zu erkennen.

Formation

Die Vorstellung eines Künstlers eines supermassereichen Schwarzen Lochs, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist und einen relativistischen Strahl aussendet

Der Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher bleibt ein offenes Forschungsgebiet. Astrophysiker sind sich einig, dass Schwarze Löcher durch Ansammlung von Materie und durch Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern wachsen können. Es gibt mehrere Hypothesen für die Entstehungsmechanismen und Anfangsmassen der Vorläufer oder "Samen" von supermassiven Schwarzen Löchern. Unabhängig vom spezifischen Bildungskanal für das Schwarze Loch könnte es bei ausreichender Masse in der Nähe akkretieren, um ein Schwarzes Loch mittlerer Masse und möglicherweise ein SMBH zu werden, wenn die Akkretionsrate anhält.

Die Samen der frühen Vorläufer können Schwarze Löcher von Dutzenden oder vielleicht Hunderten von Sonnenmassen sein, die von den Explosionen massereicher Sterne zurückgelassen werden und durch Akkretion von Materie wachsen. Ein weiteres Modell beinhaltet einen dichten Sternhaufen, der einem Kernkollaps unterliegt, da die negative Wärmekapazität des Systems die Geschwindigkeitsdispersion im Kern auf relativistische Geschwindigkeiten treibt.

Vor den ersten Sternen könnten große Gaswolken zu einem „ Quasi-Stern “ kollabieren, der wiederum zu einem Schwarzen Loch von etwa 20 M kollabieren würde . Diese Sterne könnten auch durch Halos aus dunkler Materie entstanden sein, die durch die Schwerkraft enorme Mengen an Gas angesaugt haben, was dann supermassive Sterne mit Zehntausenden von Sonnenmassen hervorbringen würde. Der „Quasi-Stern“ wird aufgrund der Elektron-Positron-Paar-Produktion in seinem Kern gegenüber radialen Störungen instabil und könnte ohne eine Supernova - Explosion direkt in ein Schwarzes Loch kollabieren (was den größten Teil seiner Masse ausstoßen würde und das Schwarze Loch daran hindern würde, so schnell zu wachsen ).

Eine neuere Theorie besagt, dass SMBH-Seeds im sehr frühen Universum jeweils durch den Kollaps eines supermassiven Sterns mit einer Masse von etwa 100.000 Sonnenmassen entstanden sind.

Große Wolken aus metallfreiem Gas mit hoher Rotverschiebung können, wenn sie mit einem ausreichend intensiven Fluss von Lyman-Werner-Photonen bestrahlt werden, eine Abkühlung und Fragmentierung vermeiden und so aufgrund der Eigengravitation als einzelnes Objekt zusammenbrechen . Der Kern des kollabierenden Objekts erreicht extrem große Werte der Materiedichte in der Größenordnung von etwa10 7 g/cm 3 und löst eine allgemeine relativistische Instabilität aus. Somit kollabiert das Objekt direkt in ein Schwarzes Loch, ohne die Zwischenphase eines Sterns oder eines Quasi-Sterns zu verlassen. Diese Objekte haben eine typische Masse von etwa 100.000 M☉ und werden Schwarze Löcher mit direktem Kollaps genannt .

Künstlerische Darstellung des riesigen Ausstoßes des Quasars SDSS J1106+1939
Künstlerische Darstellung einer Galaxie mit Jets aus einem supermassiven Schwarzen Loch.

Schließlich könnten primordiale Schwarze Löcher in den ersten Augenblicken nach dem Urknall direkt durch äußeren Druck entstanden sein. Diese primordialen Schwarzen Löcher hätten dann mehr Zeit als jedes der oben genannten Modelle, um sich zu vermehren, was ihnen genügend Zeit gäbe, um supermassereiche Größen zu erreichen. Die Entstehung von Schwarzen Löchern durch den Tod der ersten Sterne wurde ausgiebig untersucht und durch Beobachtungen bestätigt. Die anderen oben aufgeführten Modelle für die Bildung von Schwarzen Löchern sind theoretisch.

Die Entstehung eines supermassiven Schwarzen Lochs erfordert ein relativ kleines Volumen hochdichter Materie mit geringem Drehimpuls . Normalerweise beinhaltet der Akkretionsprozess den Transport einer großen Anfangsausstattung an Drehimpuls nach außen, und dies scheint der limitierende Faktor für das Wachstum von Schwarzen Löchern zu sein. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Theorie der Akkretionsscheiben . Gasakkretion ist die effizienteste und auch auffälligste Art, wie Schwarze Löcher wachsen. Es wird angenommen, dass der Großteil des Massenwachstums supermassiver Schwarzer Löcher durch Episoden schneller Gasakkretion erfolgt, die als aktive galaktische Kerne oder Quasare beobachtbar sind. Beobachtungen zeigen, dass Quasare viel häufiger auftraten, als das Universum jünger war, was darauf hindeutet, dass supermassereiche Schwarze Löcher früh entstanden und wuchsen. Ein wichtiger einschränkender Faktor für Theorien über die Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher ist die Beobachtung entfernter leuchtender Quasare, die darauf hindeuten, dass supermassive Schwarze Löcher mit Milliarden von Sonnenmassen bereits entstanden waren, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Dies deutet darauf hin, dass supermassive Schwarze Löcher sehr früh im Universum entstanden sind, innerhalb der ersten massereichen Galaxien.

Künstlerische Darstellung von Sternen, die im Wind von supermassereichen Schwarzen Löchern geboren wurden.

Es gibt eine Obergrenze dafür, wie groß supermassereiche Schwarze Löcher werden können. Sogenannte ultramassive Schwarze Löcher (UMBHs), die mit 10 Milliarden Sonnenmassen oder mehr mindestens zehnmal so groß sind wie die meisten supermassiven Schwarzen Löcher, scheinen eine theoretische Obergrenze von etwa 50 Milliarden Sonnenmassen zu haben, als alles darüber verlangsamt das Wachstum auf ein Schneckentempo (die Verlangsamung beginnt in der Regel bei etwa 10 Milliarden Sonnenmassen) und bewirkt, dass die instabile Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt, zu Sternen verschmilzt, die es umkreisen.

Entfernte supermassereiche Schwarze Löcher wie J0313–1806 und ULAS J1342+0928 sind so kurz nach dem Urknall schwer zu erklären. Einige postulieren, dass sie von einem direkten Kollaps dunkler Materie mit Selbstinteraktion stammen könnten. Eine kleine Minderheit von Quellen argumentiert, dass sie ein Beweis dafür sein könnten, dass das Universum das Ergebnis eines Big Bounce statt eines Urknalls ist, wobei diese supermassiven Schwarzen Löcher vor dem Big Bounce entstanden sind.

Aktivität und galaktische Evolution

Es wird angenommen, dass die Gravitation von supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum vieler Galaxien aktive Objekte wie Seyfert-Galaxien und Quasare antreibt, und das Verhältnis zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der Masse der Wirtsgalaxie hängt vom Galaxientyp ab . Eine empirische Korrelation zwischen der Größe supermassiver Schwarzer Löcher und der stellaren Geschwindigkeitsdispersion eines Galaxienwulstes wird als M-Sigma-Beziehung bezeichnet .

Ein aktiver galaktischer Kern (AGN) wird heute als ein galaktischer Kern betrachtet, der ein massives Schwarzes Loch beherbergt, das Materie ansammelt und eine ausreichend starke Leuchtkraft aufweist. Der Kernregion der Milchstraße beispielsweise fehlt es an ausreichender Leuchtkraft, um diese Bedingung zu erfüllen. Das vereinheitlichte AGN-Modell ist das Konzept, dass der große Bereich der beobachteten Eigenschaften der AGN-Taxonomie mit nur einer kleinen Anzahl physikalischer Parameter erklärt werden kann. Beim ursprünglichen Modell bestanden diese Werte aus dem Winkel des Torus der Akkretionsscheibe zur Sichtlinie und der Leuchtkraft der Quelle. AGN kann in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: ein AGN im Strahlungsmodus, bei dem der größte Teil der Ausgabe in Form elektromagnetischer Strahlung durch eine optisch dicke Akkretionsscheibe erfolgt, und ein Strahlmodus, bei dem relativistische Jets senkrecht zur Scheibe austreten.

Die Wechselwirkung eines Paares von SMBH-Hosting-Galaxien kann zu Verschmelzungsereignissen führen. Dynamische Reibung an den gehosteten SMBH-Objekten bewirkt, dass sie in Richtung Zentrum der verschmolzenen Masse sinken und schließlich ein Paar mit einem Abstand von weniger als einem Kiloparsec bilden. Die Wechselwirkung dieses Paares mit umgebenden Sternen und Gas wird das SMBH allmählich zu einem gravitativ gebundenen Binärsystem mit einem Abstand von zehn Parsec oder weniger zusammenbringen. Sobald sich das Paar 0,001 Parsec nähert, werden sie durch Gravitationsstrahlung verschmelzen. Bis dies geschieht, wird sich die resultierende Galaxie längst von dem Fusionsereignis erholt haben, wobei die anfängliche Starburst-Aktivität und AGN verblasst sind. Die Gravitationswellen aus dieser Koaleszenz können dem resultierenden SMBH einen Geschwindigkeitsschub von bis zu mehreren tausend km/s verleihen, ihn vom galaktischen Zentrum wegtreiben und möglicherweise sogar aus der Galaxie ausstoßen.

Beweis

Doppler-Messungen

Simulation einer Seitenansicht eines Schwarzen Lochs mit transparentem Ring aus ionisierter Materie gemäß einem vorgeschlagenen Modell für Sgr A* . Dieses Bild zeigt das Ergebnis der Lichtbeugung hinter dem Schwarzen Loch und zeigt auch die Asymmetrie, die durch den Doppler-Effekt aus der extrem hohen Umlaufgeschwindigkeit der Materie im Ring entsteht.

Einer der besten Beweise für das Vorhandensein von Schwarzen Löchern ist der Doppler-Effekt, bei dem Licht von in der Nähe befindlicher umlaufender Materie rotverschoben wird, wenn es sich zurückzieht, und blauverschoben wird, wenn es vorrückt. Für Materie in unmittelbarer Nähe eines Schwarzen Lochs muss die Umlaufgeschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sein, sodass zurückweichende Materie im Vergleich zu vorrückender Materie sehr schwach erscheint, was bedeutet, dass Systeme mit intrinsisch symmetrischen Scheiben und Ringen ein stark asymmetrisches visuelles Erscheinungsbild erhalten. Dieser Effekt wurde in modernen computergenerierten Bildern wie dem hier vorgestellten Beispiel berücksichtigt, basierend auf einem plausiblen Modell für das supermassereiche Schwarze Loch in Sgr A* im Zentrum der Milchstraße. Die Auflösung der derzeit verfügbaren Teleskoptechnologie reicht jedoch noch nicht aus, um solche Vorhersagen direkt zu bestätigen.

Was bereits in vielen Systemen direkt beobachtet wurde, sind die niedrigeren nicht-relativistischen Geschwindigkeiten von Materie, die weiter außerhalb von vermutlich Schwarzen Löchern kreist. Direkte Doppler-Messungen von Wassermasern , die die Kerne naher Galaxien umgeben, haben eine sehr schnelle Keplersche Bewegung offenbart, die nur mit einer hohen Materiekonzentration im Zentrum möglich ist. Derzeit sind die einzigen bekannten Objekte, die genügend Materie auf so kleinem Raum packen können, Schwarze Löcher oder Dinge, die sich in astrophysikalisch kurzen Zeitskalen zu Schwarzen Löchern entwickeln werden. Für weiter entfernte aktive Galaxien kann die Breite breiter Spektrallinien verwendet werden, um das Gas zu untersuchen, das in der Nähe des Ereignishorizonts kreist. Die Technik der Reverberation Mapping nutzt die Variabilität dieser Linien, um die Masse und vielleicht den Spin des Schwarzen Lochs zu messen, das aktive Galaxien antreibt.

In der Milchstraße

Abgeleitete Umlaufbahnen von 6 Sternen um den supermassereichen Schwarzen-Loch-Kandidaten Sagittarius A* im galaktischen Zentrum der Milchstraße

Astronomen sind zuversichtlich, dass die Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat, 26.000 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt, in einer Region namens Sagittarius A*, weil:

  • Der Stern S2 folgt einer elliptischen Umlaufbahn mit einer Periode von 15,2 Jahren und einem Perizentrum (geringste Entfernung) von 17 Lichtstunden (1,8 × 10 13 m oder 120 AE) von der Mitte des zentralen Objekts entfernt.
  • Aus der Bewegung des Sterns S2 kann die Masse des Objekts auf etwa 4,1 Millionen M geschätzt werden8,2 × 10 36 kg .
  • Der Radius des zentralen Objekts muss kleiner als 17 Lichtstunden sein, da sonst S2 damit kollidieren würde. Beobachtungen des Sterns S14 zeigen, dass der Radius nicht mehr als 6,25 Lichtstunden beträgt, was ungefähr dem Durchmesser der Umlaufbahn von Uranus entspricht.
  • Kein anderes bekanntes astronomisches Objekt als ein Schwarzes Loch kann 4,1 Millionen M in diesem Raumvolumen enthalten.

Infrarotbeobachtungen heller Flare-Aktivität in der Nähe von Sagittarius A* zeigen eine orbitale Bewegung des Plasmas mit einer Periode von45 ± 15 min bei einem Abstand vom sechs- bis zehnfachen Gravitationsradius des Kandidaten-SMBH. Diese Emission stimmt mit einer kreisförmigen Umlaufbahn eines polarisierten "Hot Spots" auf einer Akkretionsscheibe in einem starken Magnetfeld überein. Die strahlende Materie kreist mit 30 % der Lichtgeschwindigkeit knapp außerhalb der innersten stabilen Kreisbahn .

Am 5. Januar 2015 berichtete die NASA über die Beobachtung einer Röntgeneruption, die 400-mal heller als gewöhnlich war, ein Rekordbrecher, von Sagittarius A*. Das ungewöhnliche Ereignis könnte laut Astronomen durch das Auseinanderbrechen eines Asteroiden verursacht worden sein, der in das Schwarze Loch gefallen ist, oder durch die Verwicklung von Magnetfeldlinien in Gas, das in Sagittarius A* strömt.

Entdeckung einer ungewöhnlich hellen Röntgeneruption von Sagittarius A*, einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße .
Sagittarius A*, aufgenommen vom Event Horizon Telescope .

Außerhalb der Milchstraße

Künstlerische Darstellung eines supermassereichen Schwarzen Lochs, das einen Stern zerreißt. Unten: Supermassereiches Schwarzes Loch, das einen Stern in der Galaxie RX J1242−11 verschlingt – Röntgen (links) und optisch (rechts).

Eindeutige dynamische Beweise für supermassereiche Schwarze Löcher gibt es nur in einer Handvoll Galaxien; dazu gehören die Milchstraße, die Galaxien M31 und M32 der Lokalen Gruppe und einige Galaxien jenseits der Lokalen Gruppe, z . B. NGC 4395 . In diesen Galaxien steigt die mittlere quadratische (oder rms) Geschwindigkeit der Sterne oder des Gases proportional auf 1/ r in der Nähe des Zentrums, was auf eine zentrale Punktmasse hinweist. In allen anderen bisher beobachteten Galaxien sind die Effektivgeschwindigkeiten flach oder fallen sogar zum Zentrum hin ab, was es unmöglich macht, mit Sicherheit festzustellen, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch vorhanden ist. Dennoch wird allgemein angenommen, dass das Zentrum fast jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch enthält. Der Grund für diese Annahme ist die M-Sigma-Beziehung, eine enge (geringe Streuung) Beziehung zwischen der Masse des Lochs in den ungefähr 10 Galaxien mit sicheren Nachweisen und der Geschwindigkeitsstreuung der Sterne in den Ausbuchtungen dieser Galaxien. Obwohl diese Korrelation nur auf einer Handvoll Galaxien basiert, deutet sie für viele Astronomen auf eine starke Verbindung zwischen der Entstehung des Schwarzen Lochs und der Galaxie selbst hin.

Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops des 4.400 Lichtjahre langen relativistischen Jets von Messier 87, bei dem es sich um Materie handelt, die von der ausgeworfen wird6,4 × 10 9 M supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie

Die nahe Andromeda-Galaxie, 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt, enthält eine (1,1–2.3) × 10 8 (110–230 Millionen) M zentrales Schwarzes Loch, deutlich größer als das der Milchstraße. Das größte supermassereiche Schwarze Loch in der Nähe der Milchstraße scheint das von Messier 87 (dh M87*) zu sein, mit einer Masse von(6,4 ± 0,5) × 10 9 (ca. 6,4 Milliarden) M in einer Entfernung von 53,5 Millionen Lichtjahren. Die überriesige elliptische Galaxie NGC 4889 in einer Entfernung von 336 Millionen Lichtjahren im Sternbild Coma Berenices enthält ein schwarzes Loch, das gemessen wurde2,1 × 10 10 (21 Milliarden) M .

Massen von Schwarzen Löchern in Quasaren können mit indirekten Methoden geschätzt werden, die mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Der Quasar TON 618 ist ein Beispiel für ein Objekt mit einem extrem großen Schwarzen Loch, das auf geschätzt wird6,6 × 10 10 (66 Milliarden) M . Seine Rotverschiebung beträgt 2,219. Andere Beispiele für Quasare mit großen geschätzten Massen von Schwarzen Löchern sind der hyperluminöse Quasar APM 08279+5255 mit einer geschätzten Masse von2,3 × 10 10 (23 Milliarden) M , und der Quasar S5 0014+81 mit einer Masse von4,0 × 10 10 (40 Milliarden) M , oder die 10.000-fache Masse des Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum der Milchstraße.

Einige Galaxien, wie die Galaxie 4C +37.11, scheinen zwei supermassive Schwarze Löcher in ihren Zentren zu haben, die ein binäres System bilden . Wenn sie kollidierten, würde das Ereignis starke Gravitationswellen erzeugen . Es wird angenommen, dass binäre supermassereiche Schwarze Löcher eine häufige Folge galaktischer Verschmelzungen sind . Das Doppelsternpaar in OJ 287, 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt, enthält das massereichste Schwarze Loch in einem Paar, mit einer Masse, die auf 18 Milliarden M geschätzt wird . 2011 wurde in der Zwerggalaxie Henize 2-10 ein supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das keine Ausbuchtung aufweist. Die genauen Auswirkungen dieser Entdeckung auf die Entstehung von Schwarzen Löchern sind unbekannt, könnten aber darauf hindeuten, dass sich Schwarze Löcher vor Ausbuchtungen gebildet haben.

Am 28. März 2011 wurde ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet, das einen mittelgroßen Stern zerriss. Das ist die einzige wahrscheinliche Erklärung für die Beobachtungen an diesem Tag mit plötzlicher Röntgenstrahlung und den anschließenden Breitbandbeobachtungen. Die Quelle war zuvor ein inaktiver galaktischer Kern, und aus Untersuchungen des Ausbruchs geht hervor, dass der galaktische Kern ein SMBH mit einer Masse in der Größenordnung von einer Million Sonnenmassen ist. Es wird angenommen, dass dieses seltene Ereignis ein relativistischer Ausfluss (Material, das in einem Strahl mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit emittiert wird) von einem Stern ist, der durch die Gezeiten des SMBH gestört wird. Es wird erwartet, dass sich ein erheblicher Bruchteil einer Sonnenmasse an Material auf dem SMBH angesammelt hat. Eine anschließende Langzeitbeobachtung wird es ermöglichen, diese Annahme zu bestätigen, wenn die Emission des Jets mit der erwarteten Rate für eine Massenakkretion auf einem SMBH zerfällt.

Eine Gaswolke mit der mehrfachen Masse der Erde beschleunigt auf ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße.

2012 meldeten Astronomen eine ungewöhnlich große Masse von etwa 17 Milliarden M für das Schwarze Loch in der kompakten, linsenförmigen Galaxie NGC 1277, die 220 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Perseus liegt . Das mutmaßliche Schwarze Loch hat ungefähr 59 Prozent der Masse der Ausbuchtung dieser linsenförmigen Galaxie (14 Prozent der gesamten Sternmasse der Galaxie). Eine andere Studie kam zu einem ganz anderen Ergebnis: Dieses Schwarze Loch ist nicht besonders übermassereich und wird auf 2 bis 5 Milliarden M geschätzt, wobei 5 Milliarden M der wahrscheinlichste Wert sind. Am 28. Februar 2013 berichteten Astronomen über die Verwendung des NuSTAR -Satelliten zur ersten genauen Messung der Drehung eines supermassiven Schwarzen Lochs in NGC 1365 und berichteten, dass sich der Ereignishorizont fast mit Lichtgeschwindigkeit drehte.


Im September 2014 haben Daten von verschiedenen Röntgenteleskopen gezeigt, dass die extrem kleine, dichte, ultrakompakte Zwerggalaxie M60-UCD1 in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch mit 20 Millionen Sonnenmassen beherbergt, das mehr als 10 % der Gesamtmasse der Galaxie ausmacht Galaxis. Die Entdeckung ist ziemlich überraschend, da das Schwarze Loch fünfmal so massereich ist wie das Schwarze Loch der Milchstraße, obwohl die Galaxie weniger als fünf Tausendstel der Masse der Milchstraße hat.

Einige Galaxien haben keine supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren. Obwohl die meisten Galaxien ohne supermassive Schwarze Löcher sehr kleine Zwerggalaxien sind, bleibt eine Entdeckung mysteriös: Die überriesige elliptische cD-Galaxie A2261-BCG enthält kein aktives supermassereiches Schwarzes Loch, obwohl die Galaxie eine der größten bekannten Galaxien ist ; zehnmal so groß und tausendmal so schwer wie die Milchstraße. Da ein supermassives Schwarzes Loch nur sichtbar ist, während es akkretiert, kann ein supermassives Schwarzes Loch fast unsichtbar sein, außer in seinen Auswirkungen auf Sternumlaufbahnen.

Im Dezember 2017 berichteten Astronomen über die Entdeckung des derzeit am weitesten entfernten Quasars, ULAS J1342+0928, der das am weitesten entfernte supermassive Schwarze Loch enthält, bei einer gemeldeten Rotverschiebung von z = 7,54, was die Rotverschiebung von 7 für den zuvor bekannten am weitesten entfernten Quasar übertrifft ULAS J1120+0641 .

Supermassereiches Schwarzes Loch und kleineres Schwarzes Loch in der Galaxie OJ 287
Vergleiche von großen und kleinen Schwarzen Löchern in der Galaxie OJ 287 mit dem Sonnensystem
Scheibenfackeln von Schwarzen Löchern in der Galaxie OJ 287
(1:22; Animation; 28. April 2020)
Das supermassereiche Schwarze Loch von NeVe 1 ist für die Eruption des Ophiuchus-Superhaufens verantwortlich – die energiereichste Eruption, die jemals entdeckt wurde.
Von: Röntgenobservatorium Chandra

Im Februar 2020 berichteten Astronomen über die Entdeckung des Ausbruchs des Ophiuchus-Superhaufens, dem energiereichsten Ereignis im Universum, das seit dem Urknall jemals entdeckt wurde . Es trat im Ophiuchus-Haufen in der Galaxie NeVe 1 auf, verursacht durch die Akkretion von fast 270 Millionen Sonnenmassen an Material durch sein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch. Der Ausbruch dauerte etwa 100 Millionen Jahre und setzte 5,7 Millionen Mal mehr Energie frei als der stärkste bekannte Gammastrahlenausbruch . Die Eruption setzte Schockwellen und Jets hochenergetischer Partikel frei, die das Intracluster-Medium durchschlugen und einen etwa 1,5 Millionen Lichtjahre breiten Hohlraum schufen – das Zehnfache des Durchmessers der Milchstraße .

Im Februar 2021 veröffentlichten Astronomen zum ersten Mal ein sehr hochauflösendes Bild von 25.000 aktiven supermassiven Schwarzen Löchern, die vier Prozent der nördlichen Himmelshalbkugel bedecken, basierend auf ultraniedrigen Radiowellenlängen, wie sie vom Low-Frequency Array erfasst wurden (LOFAR) in Europa.

Hawking-Strahlung

Hawking -Strahlung ist Schwarzkörperstrahlung, die voraussichtlich von Schwarzen Löchern aufgrund von Quanteneffekten in der Nähe des Ereignishorizonts freigesetzt wird. Diese Strahlung reduziert die Masse und Energie von Schwarzen Löchern, wodurch sie schrumpfen und schließlich verschwinden. Wenn Schwarze Löcher durch Hawking-Strahlung verdampfen, wird ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 11 (100 Milliarden) M in etwa 2×10 100 Jahren verdampfen. Es wird vorhergesagt, dass einige riesige schwarze Löcher im Universum während des Zusammenbruchs von Superhaufen von Galaxien weiter auf bis zu 10 14 M ☉ anwachsen. Auch diese würden über einen Zeitraum von bis zu 10 106 Jahren verdunsten.

Siehe auch

Verweise

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