Die Entstehung Schwarzer Löcher mittlerer Masse in jungen massereichen Sternhaufen

1. April 2021
Schwarze Löcher mittlerer Masse (intermediate mass black holes, IMBH) sollten den Übergang von beobachteten stellaren Schwarze Löcher zu supermassiven Schwarzen Löchern bilden. Ihre Entstehungsprozesse werden jedoch immer noch diskutiert. In jungen  massereichen Sternhaufen kann es viele stellar Kollisionen geben, bei denen sich IMBHs bilden können. Unter der Leitung von Forschenden am MPA hat ein internationales Team jetzt realistische Simulation von Sternhaufen präsentiert, in denen sich IMBHs durch schnelle Kollisionen von Sternen und leichteren Schwarzen Löchern gebildet haben. Die Studie sagt auch einen Entstehungsmechanismus in einem Massenbereich voraus, der in Sternentstehungsmodellen nicht vorgesehen ist. Gerade in dieser Massenlücke wurde von der LIGO/Virgo Gravitationswellenkollaboration eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern nachgewiesen. 
So könnte die HST-Beobachtung eines simulierten, jungen und kompakten Sternhaufens aussehen (großes Bild), der in seiner Zentralregion Schwarze Löcher stellarer Masse beherbergt (kleines Bild rechts unten). Diese Region ist dicht genug für Kollisionen und Verschmelzungen von Sternen und Schwarzen Löchern. Solche Systeme könnten die Vorläufer von Kugelsternhaufen wie dem Sternhaufen NGC 362 sein, der in der linken oberen Ecke gezeigt ist.

Es gibt eindeutige Beobachtungen und theoretische Modelle, die auf die Existenz stellarer Schwarzer Löcher unterhalb einer Masse von 60 Sonnenmassen hinweisen.  Sie sind Endprodukte der mehrere Millionen Jahre andauernden Entwicklung massereicher Sterne. Auf kosmologischen Skalen ist das eine kurze Zeit. Es gibt auch direkte Hinweise für die Existenz supermassiver Schwarzer Löcher mit Millionen von Sonnenmassen und mehr. Das bekannteste sitzt im Zentrum unsere Milchstraße und seine Entdeckung wurde mit dem Physiknobelpreise 2020 ausgezeichnet. Bis vor kurzem gab es allerdings keinen Nachweis für die Existenz von Schwarzen Löchern mittlerer Masse (IMBHs), die stellare und supermassive Schwarze Löcher miteinander verbinden könnten. Es existierten allerdings viele Spekulationen über ihrer Entstehung. 

Junge und massereiche Sternhaufen sind vielversprechende Entstehungsgebiete von IMBHs. In diesen gravitativ gebundenen Regionen sind Sterne und stellare schwarze Löcher mehrere Millionen Mal dichter gepackt, als in unserer galaktischen Nachbarschaft.  Hier können Sterne regelmäßig miteinander und auch mit stellaren Schwarzen Löchern kollidieren. Selbst Schwarze Löcher können unter Abstrahlung von Gravitationswellen miteinander verschmelzen.  Nach vielen solcher Kollisionen können sich IMBHs bilden. 

Beispiel für die Bildung eines IMBH in einer der Simulationen. In den ersten 8,19 Millionen Jahren nach Beginn der Simulation verschmelzen viele Hauptreihensterne zu einem sehr massereichen Stern mit 315 Sonnenmassen, der von einem stellaren Schwarzen Loch mit 12 Sonnenmassen geschluckt wird und ein IMBH bildet. Rund 100 Millionen Jahre später verschmilzt dieses IMBH mit einem weiteren stellaren Schwarzen Loch von 22 Sonnenmassen.

Unter der Leitung von Forschenden am MPA hat ein internationales Team eine Reihe von realistischen Simulationen der frühen Entwicklungsphase von kompakten, massereichen Sternhaufen durchgeführt, um die Entstehung von Schwarzen Löchern mittlerer Masse zu untersuchen. Diese extrem genauen Simulationen wurden mit der Graphikkarten-beschleunigten Simulationssoftware N-body6++GPU auf den Supercomputern der Max-Planck-Computing and Data Facility in Garching und dem JUWELS-System am Jülich Supercomputing Center erstellt. Die Simulationen berechnen die Sternentwicklung und Bewegung jedes einzelnen Sterns im Sternhaufen, zusammen mit präzisen Bahnen von einzelnen Sternen, Doppel- oder Mehrfachsternsystemen, wie auch Sternkollisionen und Verschmelzungen Schwarzer Löcher. Die Studie zeigt, dass Schwarze Löcher mittlerer Masse entstehen können, wenn ein enorm massereicher Stern von bis zu 400 Sonnenmassen – gebildet durch die rasch aufeinanderfolgenden Verschmelzungen mehrerer Hauptreihensterne - von einem stellaren Schwarzen Loch verschlungen wird (Fig. 2)

In einer von 80 Simulationen mit jeweils 110000 Sternen schlägt ein Schwarzes Loch mittlerer Masse einen ganz besonderen Weg ein: Es entsteht in vier Generationen von Zusammenstößen mit mehreren stellaren Schwarzen Löchern. In der endgültigen Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit 68 und 70 Sonnenmassen bildete sich ein Schwarzes Loch mittlerer Masse mit über 100 Sonnenmassen (Fig. 3). Es gibt keine Vorhersagen Schwarzer Löcher in diesem Massenbereich im Rahmen gängiger Sternentwicklungsmodelle (die sogenannte „Massenlücke“) – daher müssen sie durch andere Prozesse entstehen, beispielsweise durch die Zusammenstöße, die in dieser Studie beschrieben sind.

Simulierte Entstehung einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit 70 und 68 Sonnenmassen in der "Massenlücke". Das massereichere Schwarze Loch (oben) wächst in zwei vorangegangenen Verschmelzungen von Schwarzen Löchern. Das etwas weniger massereiche Schwarze Loch entsteht durch eine Sternkollision zwischen einem Roten Riesen mit einem Hauptreihenstern, gefolgt von einer Verschmelzung mit einem stellaren Schwarzen Loch. Die jeweiligen Massen (in Sonnenmassen) sind zum Zeitpunkt der jeweiligen Verschmelzung angegeben, gerechnet vom Start der Simulation.

Weniger als zwei Wochen nach der Einreichung dieser theoretischen Studie hat die LIGO/Virgo Gravitationswellenkollaboration die Entdeckung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in dieser „Massenlücke“ mit 66 und 85 Sonnenmassen bekanntgegeben. Dies war der erste direkte Nachweis eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse (142 Sonnenmassen), das durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden ist. Tatsächlich hat die hier vorgestellte theoretische Studie einen möglichen Entstehungsprozess für ein solches Gravitationswellenereignis vorhergesagt.

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