Amerikanische und australische Astrophysiker haben einen Kandidaten für Schwarze Löcher mittlerer Masse entdeckt. Sie erhielten diesen Namen, weil sie schwerer als gewöhnlich sind - dh solche, die durch den Gravitationskollaps von Sternen entstanden sind - Objekte, aber leichter als supermassereiche Schwarze Löcher, die sich normalerweise in den aktiven Kernen großer Galaxien befinden. Die Herkunft der ungewöhnlichen Objekte ist noch unklar. "Lenta.ru" spricht über Schwarze Löcher mittlerer Massen und die Entdeckung von Wissenschaftlern.
Die meisten den Wissenschaftlern bekannten Schwarzen Löcher - dh Objekte, die keine Materie verlassen kann (ohne Berücksichtigung von Quanteneffekten) - sind entweder schwarze Löcher mit Sternenmasse oder supermassereiche Schwarze Löcher. Der Ursprung dieser Gravitationsobjekte ist den Astronomen ungefähr klar. Die ersten stellen, wie der Name schon sagt, das letzte Stadium in der Entwicklung schwerer Leuchten dar, wenn die thermonuklearen Reaktionen in ihren Tiefen aufhören. Sie sind so schwer, dass sie sich nicht in weiße Zwerge oder Neutronensterne verwandeln.
Kleine Sterne wie die Sonne verwandeln sich in weiße Zwerge. Ihre Gravitationskompressionskraft wird durch die elektromagnetische Abstoßung des Elektronenkernplasmas ausgeglichen. In schwereren Sternen wird die Schwerkraft durch den Druck der Kernmaterie eingeschränkt, was zu Neutronensternen führt. Der Kern solcher Objekte wird von einer Neutronenflüssigkeit gebildet, die mit einer dünnen Plasmaschicht aus Elektronen und schweren Kernen bedeckt ist. Schließlich verwandeln sich die schwersten Leuchten in Schwarze Löcher, was durch die allgemeine Relativitätstheorie und die statistische Physik perfekt beschrieben wird.
Kugelsternhaufen 47 Tukan
Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage
Der Grenzwert der Masse des Weißen Zwergs, der verhindert, dass er sich in einen Neutronenstern verwandelt, wurde 1932 vom indischen Astrophysiker Subramanian Chandrasekhar geschätzt. Dieser Parameter wird aus dem Gleichgewichtszustand des entarteten Elektronengases und den Gravitationskräften berechnet. Der aktuelle Wert der Chandrasekhar-Grenze wird auf etwa 1,4 Sonnenmassen geschätzt. Die Obergrenze für die Masse eines Neutronensterns, an der er sich nicht in ein Schwarzes Loch verwandelt, wird als Oppenheimer-Volkov-Grenze bezeichnet. Sie wird aus dem Gleichgewichtszustand des Drucks des entarteten Neutronengases und den Schwerkraftkräften bestimmt. 1939 erhielten Wissenschaftler einen Wert von 0,7 Sonnenmassen, moderne Schätzungen reichen von 1,5 bis 3,0.
Die massereichsten Sterne sind 200-300-mal schwerer als die Sonne. In der Regel überschreitet die Masse eines von einem Stern stammenden Schwarzen Lochs diese Größenordnung nicht. Am anderen Ende der Skala befinden sich supermassereiche Schwarze Löcher - sie sind Hunderttausende oder sogar Zehntausende Milliarden Mal schwerer als die Sonne. Normalerweise befinden sich solche Monster in den aktiven Zentren großer Galaxien und haben einen entscheidenden Einfluss auf sie. Trotz der Tatsache, dass der Ursprung von supermassiven Schwarzen Löchern auch viele Fragen aufwirft, wurden bis heute genug solche Objekte (strenger - Kandidaten für sie) entdeckt, um ihre Existenz nicht anzuzweifeln.
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Im Zentrum der Milchstraße, in einer Entfernung von 7,86 Kiloparsecs von der Erde, befindet sich beispielsweise das schwerste Objekt der Galaxie - das supermassereiche Schwarze Loch Schütze A *, das mehr als vier Millionen Mal schwerer als die Sonne ist. Im nahe gelegenen großen Sternensystem ist der Andromeda-Nebel ein noch schwereres Objekt: ein supermassereiches Schwarzes Loch, das wahrscheinlich 140 Millionen Mal schwerer ist als die Sonne. Astronomen schätzen, dass in etwa vier Milliarden Jahren ein supermassereiches Schwarzes Loch aus dem Andromeda-Nebel eines aus der Milchstraße verschlucken wird.
Schwarzes Loch mittlerer Masse (Künstler vorgestellt)
Bild: CfA / M. Weiss
Dieser Mechanismus weist auf die wahrscheinlichste Art und Weise hin, wie sich riesige Schwarze Löcher bilden - sie absorbieren einfach die gesamte Materie um sie herum. Es bleibt jedoch die Frage: Gibt es in der Natur Schwarze Löcher mit Zwischenmassen - zwischen Stern und Superschwer? Beobachtungen der letzten Jahre, einschließlich der in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlichten, bestätigen dies. In der Veröffentlichung berichteten die Autoren über die Entdeckung eines wahrscheinlichen Kandidaten für schwarze Löcher mittlerer Masse im Zentrum des Kugelsternhaufens 47 Toucan (NGC 104). Schätzungen zufolge ist es etwa 2,2 Tausendmal schwerer als die Sonne.
Cluster 47 Tukan befindet sich 13.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Tukan. Diese Gruppe von schwerkraftgebundenen Leuchten zeichnet sich durch ihr hohes Alter (12 Milliarden Jahre) und ihre extrem hohe Helligkeit bei solchen Objekten aus (nach den Omega Centauri an zweiter Stelle). NGC 104 enthält Tausende von Sternen, die auf eine bedingte Kugel mit einem Durchmesser von 120 Lichtjahren beschränkt sind (drei Größenordnungen kleiner als der Durchmesser der Milchstraßenscheibe). Ebenfalls im 47 Tukan gibt es etwa zwanzig Pulsare - sie wurden zum Hauptforschungsobjekt von Wissenschaftlern.
Frühere Suchen im Zentrum von NGC 104 nach einem Schwarzen Loch waren erfolglos. Solche Objekte zeigen sich auf indirekte Weise durch die charakteristischen Röntgenstrahlen, die von der Akkretionsscheibe um sie herum ausgehen und durch das erhitzte Gas gebildet werden. Inzwischen enthält das Zentrum von NGC 104 fast kein Gas. Andererseits kann ein Schwarzes Loch durch seine Wirkung auf die in seiner Nähe rotierenden Sterne erkannt werden - so etwas ist möglich, um Schütze A * zu untersuchen. Doch auch hier standen Wissenschaftler vor einem Problem - das Zentrum von NGC 104 enthält zu viele Sterne, um ihre individuellen Bewegungen verstehen zu können.
Parks Radioteleskop
Foto: David McClenaghan / CSIRO
Wissenschaftler haben versucht, beide Schwierigkeiten zu umgehen, ohne dabei die üblichen Methoden zur Erkennung von Schwarzen Löchern aufzugeben. Zunächst analysierten Astronomen die Dynamik der Sterne des gesamten Kugelhaufens als Ganzes und nicht nur der Sterne, die sich in der Nähe seines Zentrums befinden. Zu diesem Zweck nahmen die Autoren Daten zur Dynamik der Leuchten von 47 Toucan auf, die während Beobachtungen des australischen Parkes-Funkobservatoriums gesammelt wurden. Die erhaltenen Informationen nutzten die Wissenschaftler für die Computermodellierung im Rahmen des Gravitationsproblems von N-Körpern. Es zeigte sich, dass sich im Zentrum von NGC 104 etwas befindet, das in seinen Eigenschaften einem schwarzen Loch mittlerer Masse ähnelt. Dies war jedoch nicht genug.
Die Forscher beschlossen, ihre Ergebnisse an Pulsaren zu testen - kompakten Überresten toter Sterne, deren Funksignale Astronomen gelernt haben, recht gut zu verfolgen. Wenn NGC 104 ein Schwarzes Loch mittlerer Masse enthält, können sich Pulsare nicht zu nahe am Zentrum von 47 Toucan befinden - und umgekehrt. Wie von den Autoren erwartet, wurde das erste Szenario bestätigt: Die Position der Pulsare in NGC 104 korreliert gut mit der Tatsache, dass sich im Zentrum des Clusters ein Schwarzes Loch mit durchschnittlicher Masse befindet.
Die Autoren glauben, dass sich Gravitationsobjekte dieser Art in den Zentren anderer Kugelhaufen befinden können - wahrscheinlich dort, wo sie bereits gesucht werden oder noch nicht gesucht werden. Dies erfordert eine sorgfältige Prüfung jedes dieser Cluster. Welche Rolle spielen Schwarze Löcher mittlerer Masse und wie sind sie entstanden? Es ist noch nicht sicher bekannt. Trotz der vielen Möglichkeiten für ihre weitere Entwicklung glaubt der Co-Autor der Studie, Bulent Kiziltan, dass "sie möglicherweise die ursprünglichen Samen sind, die zu den Monstern herangewachsen sind, die wir heute in den Zentren der Galaxien sehen".
Juri Suchow
