Fragen Sie Ethan Nr. 15: Die größten schwarzen Löcher im Universum
Wenn wir in den Abgrund hinabsteigen, lernen wir die Schätze des Lebens. Wo Sie dort stolpern, finden Sie Ihr Juwel.
- Joseph Campbell
Der Leser fragt:Wenn wir entfernte Quasare beobachten, sehen wir ihre supermassiven Schwarzen Löcher mit einem Gewicht von 10 9 Sonnen. Wie schaffen sie es, diese Größe in so kurzer Zeit zu erreichen?
Dieses Problem ist komplizierter als es auf den ersten Blick scheint. Sie müssen mit der Astrophysik beginnen.
Möglicherweise wissen Sie bereits, dass Sterne in verschiedenen Größen und Farben mit unterschiedlicher Lebensdauer und Masse vorliegen und dass all diese Eigenschaften miteinander zusammenhängen. Je größer der Stern, desto größer sein Kern, in dem nach den Prinzipien der Kernfusion sein Brennstoff verbrennt. Dies bedeutet, dass massereichere Sterne heller brennen, bei höheren Temperaturen einen größeren Radius haben und auch schneller brennen.
Wenn ein Stern wie unsere Sonne mehr als zehn Milliarden Jahre brauchen kann, um seinen gesamten Brennstoff im Kern zu verbrennen, können die Sterne zehn- oder sogar hundertmal so massereich sein wie unsere Sonne, und statt Milliarden von Jahren können sie den gesamten Wasserstoff im Kern zu Helium synthetisieren mehrere Millionen und in einigen Fällen sogar über mehrere hunderttausend Jahre.
Was passiert mit dem Kern, wenn er seinen Brennstoff verbrennt? Es sollte beachtet werden, dass die Energie, die während dieser Reaktionen freigesetzt wird, das einzige ist, was den Kern gegen die enorme Gravitationskraft hält, die ständig arbeitet, um die gesamte Materie im Stern auf das kleinstmögliche Volumen zu komprimieren. Wenn diese Fusionsreaktionen aufhören, schrumpft der Kern schnell. Die Komprimierungsgeschwindigkeit ist wichtig, denn wenn Sie die Materie langsam komprimieren, bleibt die Temperatur konstant, erhöht jedoch die Entropie. und wenn Sie es schnell komprimieren, ist die Entropie konstant und die Temperatur steigt an.
Bei massereichen Sternen bedeutet ein Temperaturanstieg, dass der Stern beginnen kann, immer schwerere Elemente zu synthetisieren, angefangen von Helium über Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silizium, Schwefel bis hin zu Eisen, Nickel und Kobalt. Beachten Sie, dass sich diese Elemente mit einer Zunahme der Kernzahl um 2 bilden, da sich Helium mit vorhandenen Elementen verbindet. Und wenn Sie zu Eisen, Nickel und Kobalt kommen, den stabilsten Elementen, wird eine weitere Synthese unmöglich, und der Kern explodiert nach außen und verwandelt sich in eine Typ-2-Supernova.Wenn dies bei einem sehr massiven Stern nicht der Fall ist, erhalten Sie den Kern eines Neutronensterns. Und wenn Sie einen massereicheren Stern mit einem schwereren Kern nehmen, hält er der Schwerkraft nicht stand und erzeugt ein schwarzes Loch in sich. Ein Stern, der 15 bis 20 Mal so groß wie die Sonne ist, erzeugt nach seinem Tod wahrscheinlich ein schwarzes Loch in der Mitte. Und massereichere Sterne erzeugen massereichere Schwarze Löcher. Man kann sich eine große Anzahl ziemlich massereicher Sterne vorstellen, aus denen schwarze Löcher entstehen, die sich auf engstem Raum befinden. Und dann verbinden sich diese Schwarzen Löcher mit der Zeit, oder beide Schwarzen Löcher verbinden sich und verschlingen stellare und interstellare Materie, was nach unseren Beobachtungen auch vorkommt.
Leider geschieht dies nicht so schnell, dass es mit unseren Beobachtungen übereinstimmt. Sie sehen, wenn ein Stern zu massiv wird, erscheint kein schwarzes Loch darin! Wenn wir Sterne mit einer Masse von 130 Sonnen beobachten, werden die Innenräume der Sterne so heiß und sie enthalten so viel Energie, dass die dort auftretenden hochenergetischen Teilchen Materie-Antimaterie-Paare in Form von Positronen und Elektronen bilden können. Auf den ersten Blick ist dies keine große Sache, aber denken Sie daran, was in den Kernen dieser Sterne passiert: Alles, was sie vor dem Zusammenbruch bewahrt, ist der Druck, den eine Untersuchung der Kernfusion von innen ausübt. Und wenn Elektronen- und Positronenpaare auftreten, werden sie von der gegenwärtigen Strahlung ausgeschlossen, was zu einem Druckabfall auf den Kern von innen führt.Solche Dinge beginnen bereits mit Sternen mit einem Gewicht von 100 Sonnen, aber wenn Sie eine Masse von 130 Sonnen erreichen, nimmt der Druck so stark ab, dass die Sterne zu kollabieren beginnen - und das sehr schnell!
Der Kern erwärmt sich und enthält eine große Anzahl von Positronen, die sich mit gewöhnlicher Materie vernichten und Gammastrahlung erzeugen, die den Kern weiter erwärmt. Am Ende bekommt man etwas so Energievolles, dass es den ganzen Stern auf sehr helle und schöne Weise in Stücke reißt. Die Supernova instabiler Paare stellt sich also heraus. Dies zerstört nicht nur die äußeren Schichten des Sterns, sondern auch den Kern selbst, und nach dieser Explosion ist absolut nichts mehr übrig!Selbst ohne die ausreichend großen Schwarzen Löcher zu berücksichtigen, die sich schnell in unserem Universum gebildet haben, können wir immer noch supermassereiche Schwarze Löcher bekommen - wie das im Zentrum unserer Galaxie. Nach den Umlaufbahnen der Sterne, die um ihn herum kreisen, beträgt seine Masse mehrere Millionen Sonnenmassen.
Auf diese Weise ist es jedoch unmöglich, Schwarze Löcher mit einem Gewicht von Milliarden von Sonnenmassen zu erhalten, wie das in der ziemlich weit entfernten Galaxie Messier 87.
Der Leser fragt nach supermassiven Schwarzen Löchern mit einem Gewicht von mehreren Milliarden Sonnenmassen. Und sie zeigen sich mit einer großen Rotverschiebung, was darauf hindeutet, dass sie schon lange sehr groß sind.Man könnte denken, dass es von Anfang an bereits so große Schwarze Löcher im Universum gab, aber dies entspricht nicht dem, was wir über das junge Universum aus der spektralen Kraft der Materie und aus der kosmischen Hintergrundstrahlung wissen. Egal woher diese supermassiven Schwarzen Löcher kommen, es ist unwahrscheinlich, dass sie von Anfang an hier waren - aber jetzt können sie sogar in sehr jungen Galaxien gefunden werden!
Wenn gewöhnliche Sterne solche schwarzen Löcher nicht produzieren können und das Universum nicht mit ihnen geboren wurde, woher kamen sie dann?Es stellt sich heraus, dass Sterne noch massereicher sein können als die, über die wir bereits gesprochen haben. Und wenn sie große Massen erreichen, erscheint eine neue Hoffnung. Kehren wir zu den ersten Sternen zurück, die sich im Universum aus prähistorischem Wasserstoff und Helium gebildet haben - den Gasen, die damals nur wenige Millionen Jahre nach dem Urknall existierten.
Es gibt viele Hinweise darauf, dass sich zu dieser Zeit Sterne in großen Regionen gebildet haben - nicht wie die heutigen Sternhaufen in unserer Galaxie, die mehrere hundert oder tausend Sterne enthalten. Dann enthielten große Cluster Millionen oder sogar mehr Sterne. Wenn wir uns die nächste und größte Region der Sternentstehung im Tarantula-Nebel in der großen Magellanschen Wolke ansehen, können wir verstehen, was passiert.
Diese Region des Weltraums hat einen Durchmesser von 1000 Lichtjahren. In seiner Mitte befindet sich ein riesiger Bereich, in dem neue Sterne gebildet werden - R136. Es enthält neue Sterne, deren Gesamtmasse etwa 450.000 Sonnenmassen beträgt. Dieser Komplex ist aktiv, dort bilden sich neue massive Sterne. Und im Zentrum der Zentralregion können Sie etwas wirklich Einzigartiges entdecken: den massereichsten aller bekannten Sterne im Universum!
Der größte Stern in der Region ist 265-mal schwerer als die Sonne, und dies ist ein sehr bemerkenswertes Phänomen. Denken Sie daran, dass ich über instabile Supernovae-Paare gesprochen habe und wie sie Sterne zerstören, die schwerer als 130 Sonnenmassen sind und keine schwarzen Löcher zurücklassen. Diese Formel funktioniert bis zu einem bestimmten Punkt - nur für Sterne, deren Masse mehr als 130 Sonnen, aber weniger als 250 Sonnen beträgt. Und wenn die Masse noch weiter zunimmt, erhalten wir Gammastrahlung mit einer solchen Stärke, dass eine photonukleare Reaktion auftritt - wenn Gammastrahlen das Innere des Sterns abkühlen, schwere Kerne ausschalten und in Licht verwandeln.
Wenn ein Stern eine Masse von mehr als 250 Sonnenmassen hat, fällt er vollständig in ein Schwarzes Loch zusammen. Ein Stern mit einer Masse von 260 Sonnenmassen kann ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 260 Sonnenmassen erzeugen. Ein Stern mit 1000 Sonnenmassen erzeugt ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 1000 Sonnenmassen. Und da wir in unserer isolierten Ecke des Kosmos Sterne mit riesigen Massen herstellen können, können wir diese Objekte zu einer Zeit herstellen, als das Universum noch jung war. Und wir haben höchstwahrscheinlich eine ziemlich große Anzahl dieser Objekte hergestellt - und dennoch werden sie kombiniert.Und wenn es möglich ist, ein Gebiet zu schaffen, in dem sich wenige Millionen oder zehn Millionen Jahre nach dem Urknall ein massives Schwarzes Loch mit mehreren tausend Sonnenmassen gebildet hat, dann deutet die rasche Vereinigung und Akkretion dieser Regionen, in denen sich Sterne bilden, darauf hin, dass diese früh entstehen große schwarze Löcher würden sich auf einzigartige Weise miteinander verbinden. Nach kurzer Zeit würden sie in den Zentren dieser Regionen immer größere Schwarze Löcher bilden, die sich dann in die ersten riesigen Galaxien des Universums verwandelten.
Dieses zeitliche Wachstum kann leicht zu bescheidenen Schätzungen von Schwarzen Löchern mit einem Gewicht von mehreren hundert Millionen Sonnen führen, die eine Galaxie von der Größe der Milchstraße erzeugen kann. Es ist leicht vorstellbar, dass massereichere Galaxien und nichtlineare Effekte die wahrscheinlichen Massen von Schwarzen Löchern problemlos auf Milliarden von Sonnenmassen erhöhen können. Und obwohl wir es nicht genau wissen, aber so weit wir nach unserem Wissen urteilen können, erscheinen so supermassereiche Schwarze Löcher.Source: https://habr.com/ru/post/de381865/
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