Fragen Sie Ethan: Wie viele Schwarze Löcher gibt es im Universum?

Obwohl wir drei Fusionen von Schwarzen Löchern direkt registriert haben, sind wir uns der Existenz einer viel größeren Anzahl von ihnen bewusst. Und dort sollten sie sein

Zum dritten Mal in der Geschichte der Beobachtungen haben wir das zweifellos charakteristische Merkmal von Schwarzen Löchern direkt aufgezeichnet: Gravitationswellen, die durch ihre Fusion erzeugt wurden. Wenn wir dies mit unserem Wissen über die Umlaufbahnen von Sternen, die sich um das Zentrum der Galaxie bewegen, Beobachtungen anderer Galaxien im Röntgen- und Funkbereich und Messungen der Gasgeschwindigkeiten kombinieren, erhalten wir schlüssige Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern in verschiedenen Situationen. Aber haben wir genug Informationen aus diesen und anderen Quellen, um die wahre Anzahl und Verteilung der Schwarzen Löcher im Universum herauszufinden? Dieses Thema ist der heutigen Leserfrage gewidmet:

Das letzte Ereignis, das bei LIGO aufgezeichnet wurde, ließ mich darüber nachdenken, wie viele Schwarze Löcher der Himmel aussehen würde, wenn sie sehen könnten (und aus Gründen der Klarheit, wenn nur Schwarze Löcher sehen könnten), wie groß die räumliche und energetische Verteilung von Schwarzen Löchern ist im Vergleich zur Verteilung der sichtbaren Sterne?

Ihr erster Impuls könnte der Wunsch sein, zu direkten Beobachtungen zu gehen - und dies ist ein guter Anfang für die Untersuchung.


Chandra Deep Field South (CDF-S) Karte des Chandra-Weltraum-Röntgenobservatoriums

Chandras Röntgenobservatorium ist immer noch unser bestes Röntgenteleskop. Von seiner Position in der Erdumlaufbahn aus kann es sogar einzelne Photonen aufnehmen, die von entfernten Röntgenquellen stammen. Durch die Aufnahme ausreichend großer Bereiche des Himmels konnte sie Hunderte von Punktquellen für Röntgenstrahlung identifizieren, von denen jede einer entfernten Galaxie außerhalb unserer entspricht. Basierend auf dem Energiespektrum der erhaltenen Photonen können wir Hinweise auf das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum jeder Galaxie beobachten.

Das an sich ist überraschend, aber es gibt weit mehr Schwarze Löcher als nur ein riesiges BH für jede Galaxie. Natürlich hat jede der Galaxien mindestens ein BH an Masse, das die Sonne millionen- oder sogar milliardenfach übersteigt, aber es gibt noch viele andere.


Massen bekannter dualer BH-Systeme, darunter drei bestätigte Fusionen und ein von LIGO erhaltener Fusionskandidat

LIGO kündigte kürzlich seine dritte direkte Fixierung eines klaren Signals von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Doppel-BHs an, was auf die Verbreitung solcher Systeme im gesamten Universum hinweist. Für eine numerische Bewertung verfügen wir nicht über genügend Statistiken, da die Fehler zu groß sind. Wenn wir uns jedoch die aktuelle Reichweite von LIGO und die Tatsache ansehen, dass alle zwei Monate durchschnittlich ein Signal gefunden wird, können wir mit Sicherheit sagen, dass es in jeder Galaxie mindestens Dutzende solcher Systeme von der Größe der Milchstraße gibt.


Reichweite von Advanced LIGO und seinen BH-Erkennungsfunktionen

Darüber hinaus weisen unsere Röntgendaten auf die Existenz einer großen Anzahl von Doppel-BHs hin. Vielleicht gibt es weit mehr als diese riesigen schwarzen Löcher, die LIGO besser erkennt. Dabei werden nicht einmal die Daten gezählt, die auf die Existenz von BHs hinweisen, die sich nicht in binären Systemen befinden, die nahe beieinander liegen und höchstwahrscheinlich die Mehrheit bilden. Wenn es in unserer Galaxie Dutzende von binären BH-Systemen mittlerer Masse (10-100 Sonnen) gibt, dann gibt es Hunderte von kleinen Massensystemen (3-15 Sonnen) und mindestens Tausende isolierter BHs (die nicht zu binären Systemen gehören) Masse vergleichbar mit der Sonne.

Ich betone - "zumindest".



BH ist extrem schwer zu erkennen. Wir können die aktivsten, massivsten und extremsten Orte sehen. BHs, die spiralförmig fallen und miteinander verschmelzen, sind in Ordnung, aber die erwartete Anzahl solcher Konfigurationen ist eher gering. Chandra unterscheidet nur die massereichsten und aktivsten, aber die meisten BHs haben keine millionen- oder milliardenfach höheren Massen als die solaren, und die meisten dieser riesigen BHs sind derzeit nicht aktiv. Diese BHs, die wir sehen können, sollten einen winzigen Bruchteil dessen ausmachen, was sich tatsächlich im Weltraum befindet, egal wie spektakulär Prozesse wir beobachten.


Was wir als Ausbruch von Gammastrahlung wahrnehmen, könnte während der Fusion von Neutronensternen entstanden sein, die Materie in das Universum ausstoßen, die schwersten bekannten Elemente erzeugen und am Ende BHs erzeugen

Wir haben jedoch eine Möglichkeit, eine gute Schätzung der Anzahl und Verteilung der BHs zu erhalten: Wir wissen, wie sie gebildet werden. Wir wissen, wie man sie aus jungen und massiven Sternen zu Supernovae macht, aus Neutronensternen, die aufgrund von Akkretion oder Verschmelzung wachsen, und aus direkten Kollisionen. Obwohl die optischen Signale zur Erzeugung von BHs nicht eindeutig sind, haben wir in der gesamten Geschichte des Universums genügend Sterne, Sterntodesfälle, Kataklysmen und die Prozesse ihrer Entstehung gesehen, um genau die Menge zu berechnen, die wir benötigen.


Die Supernova-Überreste eines massiven Sterns hinterlassen ein kollabiertes Objekt: entweder ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern, und letzteres kann unter geeigneten Bedingungen auch in Zukunft ein Schwarzes Loch werden

Alle drei Methoden zur Gewinnung von BH sind, wenn wir ihre Entwicklung bis zum Anfang zurückverfolgen, große Bereiche der Sternentstehung. Um zu bekommen:

1. Supernova, du brauchst einen Stern, der 8-10 mal so massereich ist wie die Sonne. BH wird von Sternen 20- bis 40-mal massereicher sein, Neutronensterne werden von kleineren Sternen erhalten.
2. Für die Fusion von Neutronensternen oder die Akkretion zu BH benötigen Sie entweder zwei Neutronensterne, die sich spiralförmig nähern oder zufällig kollidieren, oder einen Neutronenstern, der Masse von einem Begleitstern saugt und eine Grenze von 2,5 bis 3 Sonnenmassen überschreitet, die erforderlich sind, um zu werden BH.
3. Direkter Kollaps in BH, Sie müssen genug Materie an einem Ort sammeln, um einen Stern zu erhalten, der 25-mal so groß wie die Sonnenmasse ist, und geeignete Bedingungen für die Bildung von BH (ohne das Auftreten einer Supernova).

Hubbles sichtbare und nahinfrarote Fotografien zeigen einen massiven Stern, etwa 25-mal so groß wie die Sonne, der ohne Supernova oder andere Erklärung vom Himmel verschwunden ist. Direkter Zusammenbruch ist die einzig vernünftige Erklärung.

Wir können die Sterne messen, die sich nicht weit von uns entfernt befinden, und abschätzen, wie viel der aufkommenden Sterne sich als geeignete Masse herausstellt, um sich später in ein Schwarzes Loch zu verwandeln. Als Ergebnis erhalten wir, dass nur etwa 0,1 - 0,2% aller Sterne in unserer Nähe eine Masse haben, die ausreicht, um sich zumindest in eine Supernova zu verwandeln, und die meisten von ihnen verwandeln sich in Neutronensterne. Etwa die Hälfte der entstehenden Systeme wird doppelt erhalten, und in den meisten der von uns entdeckten Systeme ist die Masse der Sterne miteinander vergleichbar. Mit anderen Worten, die meisten der 400 Milliarden Sterne, die sich in unserer Galaxie gebildet haben, werden niemals zu Schwarzen Löchern.


Moderne spektrale Klassifikation von Morgan-Kinan-Sternen und das Temperaturintervall jeder der Klassen (in Kelvin). Die meisten (75%) der modernen Sterne sind Klasse M, und nur 1 von 800 hat genug Masse, um eine Supernova zu werden

Dies ist jedoch nicht ängstlich, da im Allgemeinen nur wenige Sterne zu BH werden. Noch wichtiger ist, dass eine ziemlich große Anzahl von Sternen höchstwahrscheinlich bereits in der fernen Vergangenheit zu schwarzen Löchern geworden ist. Überall dort, wo die Bildung von Sternen stattfindet, gibt es eine Massenverteilung: Es erscheinen mehrere Sterne mit großer Masse, viel mehr Sterne mit mittlerer Masse und eine sehr große Anzahl von Sternen mit kleiner Masse. Es gibt so viele von ihnen, dass die Klasse M (Roter Zwerg), deren Masse 8 bis 40% der Masse der Sonne beträgt, zu 3 von 4 Sternen in unserer Nähe gehört. In vielen neuen Sternhaufen gibt es nur sehr wenige Sterne mit großer Masse: solche, die sich in Supernovae verwandeln. Aber in der Vergangenheit gab es in der Galaxie Regionen mit Sternentstehung, die viel größer waren und eine viel größere Masse besaßen als wir heute in der Milchstraße sehen.


Die größten Sternenkindergärten der lokalen Gruppe, der Tarantula-Nebel , haben die größten Sterne, die der Menschheit bekannt sind. Hunderte von ihnen werden eines Tages (in den nächsten Millionen Jahren) zu Schwarzen Löchern.

Das Foto oben zeigt die größte Region der Sternentstehung in einer lokalen Gruppe mit einem Gewicht von etwa 400.000 Sonnenenergie. In dieser Region gibt es Tausende heißer und sehr blauer Sterne, von denen Hunderte wahrscheinlich zu Supernovae werden. Irgendwo werden 10-30% von ihnen zu Schwarzen Löchern und der Rest zu Neutronensternen. Vorausgesetzt, dass:

• In unserer Galaxie gab es in der Vergangenheit viele solcher Orte.
• Die größten Bereiche der Sternentstehung konzentrierten sich um Spiralarme und auf das Zentrum der Galaxie.
• und dass wir heute Pulsare (Überreste von Neutronensternen) und Quellen von Gammastrahlung beobachten, höchstwahrscheinlich schwarze Löcher,

dann können wir eine Karte des Ortes des Schwarzen Lochs erstellen.



Der Fermi-Satellit der NASA hat die Karte mit der höchsten Energie des Universums mit der höchsten Auflösung erstellt, die jemals erstellt wurde. Die BH-Karte der Galaxie zeigt wahrscheinlich eine etwas größere Streuung von Objekten und verwandelt sich in Millionen einzelner Punktquellen

Dies ist eine Fermi-Karte des vollen Himmels, auf der alle Quellen der Gammastrahlung gesammelt werden. Es sieht aus wie eine Sternenkarte unserer Galaxie, nur dass die galaktische Scheibe stärker darauf markiert ist. Darüber hinaus senden ältere Quellen keine Gammastrahlen mehr aus, sodass diese Strahlungsquellen erst vor relativ kurzer Zeit aufgetreten sind.

Im Vergleich zu dieser Karte wird die BH-Karte:

• Konzentrierter zum Zentrum der Galaxie;
• Etwas diffuser in der Breite;
• Enthalten eine galaktische Ausbuchtung ;
• Bestehen aus ungefähr 100 Millionen Objekten plus oder minus einer Bestellung.

Wenn Sie die Fermi-Karte (oben) und die Infrarotkarte der Galaxie von COBE (unten) kombinieren, erhalten Sie eine quantitative Verteilung der BHs in unserer Galaxie.


Galaxie im Infrarotlicht, Foto vom COBE-Satelliten. Obwohl nur Sterne darauf sichtbar sind, hat das BH eine ähnliche Verteilung, obwohl es stärker auf die Ebene der Galaxie komprimiert ist und eher zur Ausbuchtung neigt

Schwarze Löcher sind echte, weit verbreitete Objekte, und die meisten von ihnen sind ruhig, so dass sie heute schwer zu erkennen sind. Das Universum existiert seit sehr langer Zeit, und obwohl wir heute eine große Anzahl von Sternen sehen können, sind vor allem die existierenden Sterne mit großer Masse - mehr als 95% von ihnen - bereits gestorben. Wo sind sie hingegangen? Ungefähr ein Viertel von ihnen wurde zu BHs, und viele Millionen von ihnen existieren noch immer und verstecken sich in unserer Galaxie, und in anderen Galaxien entspricht ihr Prozentsatz in etwa unserem.


Ein Schwarzes Loch mit einer Milliarde Sonnenmassen speist einen Röntgenstrahl im Zentrum der M87-Galaxie, aber vielleicht gibt es noch eine Milliarde anderer BHs in dieser Galaxie. Sie werden sich hauptsächlich in Richtung Zentrum ansammeln.

In elliptischen Galaxien sammeln sich BHs in einem elliptischen Schwarm und sammeln sich näher am Zentrum an, ähnlich wie die Sterne. Viele BHs werden aufgrund der " Massentrennung " schließlich in Richtung des Gravitationsbrunnens im Zentrum der Galaxie wandern - so sind anscheinend supermassive BHs supermassiv geworden. Bisher haben wir jedoch keine direkten Beweise für dieses Szenario. Wenn wir keine Möglichkeit haben, leise BHs direkt zu beobachten, können wir es nie genau wissen. Aber soweit wir wissen, ist dies das beste Bild von allem, was wir zeichnen können. Es ist konsistent, überzeugend und alle indirekten Beweise weisen darauf hin.


Die Absorption von Millimeterwellenlicht, das von Elektronen emittiert wird, die in starken Magnetfeldern herumschnüffeln, die von supermassiven BHs in Galaxien erzeugt werden, führt zum Auftreten eines dunklen Flecks im Zentrum dieser Galaxie. Ein Schatten zeigt an, dass kalte Molekülgaswolken auf das Schwarze Loch fallen

In Ermangelung der Möglichkeit direkter Beobachtungen ist dies alles, worauf sich die Wissenschaft verlassen kann, und dies führt uns zu einer interessanten Schlussfolgerung: Für alle tausend Sterne, die wir heute sehen, gibt es durchschnittlich etwa ein BH, das sich höchstwahrscheinlich in einem dichteren Teil des Weltraums befindet. Gute Genauigkeit bei der Beantwortung der Frage, was fast völlig unsichtbar ist!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .