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Stirbt jemals ein Schwarzes Loch?

2019

Astronom Misty Bentz möchte, dass Sie wissen, dass Schwarze Löcher nicht saugen. „Sie sind keine kosmischen Staubsauger, die herumlaufen und alles in sich aufsaugen, was sie sagt." Sie benutzen die Schwerkraft genauso wie alles andere. "

Anstelle eines kosmischen Trinkhalms ist ein Schwarzes Loch ein Ort im Universum, der so massiv und dicht ist, dass alles, was in seiner erheblichen Anziehungskraft gefangen ist, nicht entkommen kann.

Schwarze Löcher waren in letzter Zeit häufig in den Nachrichten zu finden, angefangen von dem Schwarm, der in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie gefunden wurde, bis hin zu dem am schnellsten wachsenden Schwarzen Loch, das jemals beobachtet wurde und das alle zwei Tage das Äquivalent der Masse unserer Sonne aufnimmt, zu dem entferntesten Schwarzen Loch, das jemals entdeckt wurde und aus dem frühen Morgengrauen des Universums stammt. Schwarze Löcher sind ein faszinierender Teil unseres Universums, von ihrer Entstehung bis zu ihrem möglichen Niedergang in der Zukunft. Hier ist ihre Geschichte, wie wir sie jetzt verstehen, von Anfang bis Ende.

Ein Schwarzes Loch mit Sternenmasse beginnt sein Leben mit einem Tod. Es entsteht, wenn ein Stern, der mindestens zehnmal so massereich ist wie unsere Sonne, keinen Brennstoff mehr hat und bereits Wasserstoff in Helium und Helium in andere Elemente umgewandelt hat, von Kohlenstoff und Sauerstoff bis hin zu Eisen tief im Kern des Sterns. Mit einem schweren Metallherz hat es nichts mehr zu binden. Es hat das Ende seiner Lebensdauer erreicht und es explodiert und lässt die äußeren Schichten in einem heftigen Ausbruch herausspringen, während der Kern in sich zusammenbricht.

„Wenn dort genug Masse ist - die dreifache Masse der Sonne in der Mitte des Sterns -, wird dies zu einem schwarzen Loch zusammenbrechen. Wir nennen diese stellaren Massen Schwarze Löcher, weil sie eine Masse haben, die einem Stern ähnelt “, sagt Bentz, ein Astronom an der Georgia State University.

Diese Verbindung zwischen der Geburt eines Schwarzen Lochs und dem Tod des Sterns, aus dem es hervorging, ist im gesamten Universum weit verbreitet. Sterne und Schwarze Löcher sind eng miteinander verwoben, insbesondere in Bereichen des Universums, in denen die Sternentstehung mit hoher Geschwindigkeit voranschreitet.

»Tatsächlich ist es sehr verbreitet, tote Sterne dort zu finden, wo sich neue Sterne bilden, weil die massereichsten nicht sehr lange leben. Sie sind sofort weg «, sagt Bentz. Die Lebensdauer eines Sterns hängt von seiner Masse ab. Die massereichsten Sterne leben viel kürzer, weil sie ihren Treibstoff nur sehr schnell verbrennen

In einem „gigantischen Recycling-Programm“, wie Bentz es nennt, kann die Entstehung von Schwarzen Löchern auch zur Entstehung neuer Sterne führen. Wenn sich eine Gruppe neuer Sterne bildet, sterben die massereichsten sehr schnell aus und explodieren am Ende ihres kurzen Lebens. Diese Stoßwellen komprimieren mehr Gas und Staub, sodass sich mehr Sterne bilden. Dann werden die massereichsten von ihnen ein kurzes Leben führen und explodieren, was neue Schockwellen aussenden und mehr Sterne bilden wird. Es ist diese Kettenreaktion des Todes von Sternen, die die Geburt brandneuer Sterne verursacht “, sagt Bentz.

Aber stellare Schwarze Löcher sind nur ein kleiner Teil des Bildes. Viel seltsamer sind supermassereiche Schwarze Löcher, riesige Bestien, deren Ursprung viel dunkler ist. Sie wurden im Zentrum von Galaxien beobachtet, einschließlich unserer eigenen, und scheinen eine etwas andere Form zu haben als ihre kleineren Landsleute.

Ein supermassereiches Schwarzes Loch, wie wir es sehen, hat jetzt eine millionen- oder milliardenfache Masse der Sonne. Aber es fing nicht so an, es fing kleiner an. Die Frage ist also, wie haben sie sich gebildet und wie sind sie so groß geworden? «, Sagt Jillian Bellovary, eine theoretische Astrophysikerin am Queensborough Community College.

Astronomen wissen, dass supermassive Schwarze Löcher sehr groß wurden, sehr schnell und vor ungefähr 13 Milliarden Jahren auftauchten. Zu diesem Zeitpunkt, sagt Bellovary, sehen wir bereits, dass es schwarze Löcher gibt, die das Milliardenfache der Sonnenmasse haben. Wir wissen, dass sie sehr früh im Universum existierten, und das ist seltsam, weil sich all diese Massen auf sehr kleinem Raum befinden und wir wollen wissen, wie sie dorthin gekommen sind. «

»Es ist ein Problem mit Hühnern oder Eiern«, sagt Bentz. Im sehr frühen Universum ist es möglich, dass wir Schwarze Löcher nur durch den direkten Zusammenbruch von Regionen mit sehr hoher Dichte gebildet haben. Vielleicht begann das Material gravitativ zu kollabieren und kollabierte dann immer wieder in ein Schwarzes Loch und bildete tatsächlich keine Sterne oder so. «

Die andere Möglichkeit ist, dass supermassereiche Schwarze Löcher ihren Anfang in frühen Galaxien hatten, als sich kleinere Schwarze Löcher im Zentrum von Säuglingsgalaxien bildeten und zusammenschlossen.

Die Vorläufer dieser frühen supermassiven Schwarzen Löcher hätten wahrscheinlich von Anfang an eine mäßige Größe gehabt, sagt Bellovary, und hätten größer sein müssen als ein Schwarzes Loch mit bloßer Sternmasse, das in einem solchen nicht schnell genug hätte wachsen können kurze Zeit, um die Giganten des frühen Universums zu formen, die wir beobachtet haben.

Das supermassereiche Schwarze Loch muss eine Art Starthilfe bekommen, es kann nicht zu klein sein, wenn es sich bildet, weil es dann nicht genug Zeit hat, um groß zu werden. Es muss also mittelgroß sein, wenn es sich bildet. «, Sagt Bellovary.

Die Forscher versuchen immer noch herauszufinden, wie sich diese ersten Schwarzen Löcher aus dem heißen Gas und Staub des frühen Universums gebildet hätten. Wenn solche Materie zusammenbricht, bildet sie typischerweise Sterne. Die Chemie des frühen Universums mag also etwas anderes gewesen sein, das dazu beigetragen hat, diese anfänglichen Schwarzen Löcher zu entzünden.

"Dieses Gas im frühen Universum bestand wahrscheinlich nur aus Wasserstoff und Helium, weil dies die einzigen Elemente waren, die im Urknall hergestellt wurden, und alles andere aus Sternen. Wenn Sie noch keine Sterne haben, können Sie das nicht Bellovary sagt, dass die Chemie des frühen Universums sowie die Bewegung oder Bewegungsmangel des Gases dazu beigetragen haben könnten, die Bildung von Schwarzen Löchern in diesen frühen Äonen auszulösen.

Schwarze Löcher bleiben nicht für immer gleich groß. Sie erhalten ihren (unverdienten) schlechten Ruf, weil Dinge, die in sie hineinfallen, niemals herauskommen können und stattdessen zur kollektiven Masse des Schwarzen Lochs hinzugefügt werden, wodurch es wachsen kann.

„Es ist egal, ob es Gas ist, das darauf fällt. Wenn es ein weiterer Stern ist, der auseinander gerissen wird und darauf fällt. Wenn es ein Planet ist, der auseinander gerissen wurde und darauf gefallen ist - was auch immer hineingeht, trägt zur Masse des Rückens bei Loch. Dieser Akkretionsprozess, bei dem über einen langen Zeitraum hinweg kleine Teile des Stoffes verzehrt werden, ist eine Möglichkeit, wie schwarze Löcher über die Geschichte des Universums hinweg wachsen “, sagt Bentz.

"Wir glauben, dass sie am effizientesten wachsen können, wenn sie Gas verschlucken oder Gas anreichern", sagt Bellovary. „Gas fällt in ein schwarzes Loch, als würde Wasser in eine Badewanne abfließen: Es wirbelt herum und fließt in einen Abfluss. Ähnlich verhält es sich in einem Schwarzen Loch. Es wird von der Gravitation des Schwarzen Lochs angezogen, aber es bewegt sich, so dass es sich zu einer Scheibe um das Schwarze Loch ausbreitet und schließlich hineinfällt. “

Der Erwerb von Gas mag der effizienteste Weg sein, um zu wachsen, aber schwarze Löcher scheuen Fusionen nicht. Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern enden mit der Vereinigung der beiden unsichtbaren Massen, was Wissenschaftler mit dem Advanced Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium oder LIGO beobachten können, das 2015 erstmals Gravitationswellen aus der Fusion zweier Schwarzer Löcher entdeckte (Ankündigung der Entdeckung) kam im Jahr 2016).

„Zum ersten Mal können wir Dinge über das Universum lernen, die kein Licht beinhalten. Vorher waren wir immer auf Licht und unsere Augen angewiesen. Ohne Licht würden wir nichts über das Universum wissen. Licht war für uns wunderbar, aber zum ersten Mal können wir jetzt Dinge sehen, die mit Licht nicht zu sehen wären, wie das Verschmelzen von Schwarzen Löchern “, sagt Bellovary. "Ohne Gravitationswellen würden wir nie wissen, was passiert."

Es gibt eine große Lücke zwischen supermassiven und stellaren Schwarzen Löchern, wo es auf jeden Fall mittlere Schwarze Löcher geben sollte - mittelgroße, von Goldilocks anerkannte Schwarze Löcher, die genau zwischen ihre kleineren und größeren Cousins ​​passen.

Das einzige Problem ist, dass die Forscher sie noch nicht beobachtet haben.

Das bedeutet nicht, dass es keine mittleren Schwarzen Löcher gibt, und viele Forscher suchen aktiv nach ihnen. Aber sie sind mit sichtbarem Licht schwer zu erkennen, im Gegensatz zu nahegelegenen Schwarzen Löchern mit Sternenmasse, die Astronomen beim Zerreißen von Sternen beobachten können, oder zu supermassiven Schwarzen Löchern, die so viel Gas, Staub und Masse aufnehmen, dass die kollidierenden Teilchen, die zusammenfallen, heller leuchten als alles andere, was wir im Universum gesehen haben.

"Wenn es um mittlere Schwarze Löcher geht, die nicht so viel Schwerkraft haben, scheinen sie weniger hell", sagt Bentz. Es wird auch erwartet, dass sie in Röntgenwellenlängen des Lichts stärker leuchten, und es gibt bereits andere Objekte im Universum, die dieses bestimmte Spektrum dominieren.

"Es ist ein wenig schwierig, sie von anderen Dingen zu unterscheiden", sagt Betnz. "Sie sind wahrscheinlich da draußen, es ist nur so, dass wir Schwierigkeiten haben, diejenigen zu finden, bei denen wir sagen können: 'Oh, klar, dies ist definitiv die eine, und jeder kann es jetzt glauben.'"

Unabhängig von der Größe durchlaufen Schwarze Löcher bestimmte Phasen - entstehen, wachsen - im Laufe ihrer Existenz. Aber können sie jemals sterben? Stephen Hawking dachte, dass es durch einen physikalischen Mechanismus möglich sein könnte, der jetzt als Hawking-Strahlung bekannt ist.

Die Idee ist, dass ein Schwarzes Loch, wenn es für sich alleine sitzen würde (keine anwachsende Masse mehr), irgendwann von subatomaren Partikeln zermürbt werden könnte. Bentz erklärt, dass es ungefähr so ​​geht: Überall im Universum tauchen Paare subatomarer Teilchen direkt nebeneinander auf. Eine Hälfte des Paares ist ein Teilchen, die andere ist ein Antiteilchen, und gewöhnlich schlagen sie kurz nach dem Sprung in das Universum ineinander und verschwinden wieder in Energie.

„Es geht nur darum, Energie in Masse umzuwandeln, wieder in Energie umzuwandeln, in die Existenz zu kommen und sie zu verlassen“, sagt Bentz. „Wenn das in der Nähe eines Schwarzen Lochs passiert und sich eine Hälfte dieses Paares innerhalb des Schwarzen Lochs befindet und eine außerhalb des Ereignishorizonts und die andere außerhalb des Ereignishorizonts befindet, dann hat es ein bisschen Energie gestohlen das Schwarze Loch, und es kann abfließen und diese Energie wegnehmen. "

Wenn dieser Prozess wiederholt abläuft, ohne dass sich mehr Masse mit dem Schwarzen Loch verbindet, können Sie das Ganze eventuell wegstrahlen. Aber für Schwarze Löcher - ob Sternmasse oder Supermassiv oder irgendetwas dazwischen - würde es sehr viel Zeit in Anspruch nehmen, selbst eine Beule zu machen.

»Es hat noch nicht genug Zeit im Universum gegeben, damit ein Schwarzes Loch stirbt, selbst wenn Sie es ganz am Anfang des Universums erschaffen würden. Es wird ungefähr 1054 Jahre dauern, bis die ersten schwarzen Löcher zu sterben beginnen «, sagt Bentz.

Der unglaubliche Zeitaufwand und der enorme Unterschied im Maßstab zwischen massiven oder supermassiven Schwarzen Löchern und subatomaren Partikeln bedeutet, dass das langsame Austreten von Hawking-Strahlung aus einem Schwarzen Loch nicht direkt beobachtet werden kann. Experimente in Laboratorien mit Analoga von Schwarzen Löchern zeigen, dass Stephen Hawkings Theorie wahrscheinlich richtig war, aber es gibt immer noch eine Menge, über das mögliche Ende der Existenz eines Schwarzen Lochs wissen wir nichts.

Tatsächlich gibt es noch viel, was wir über Schwarze Löcher im Allgemeinen nicht wissen, aber Forscher wie Bentz und Bellovary arbeiten daran, diese Lücken in unserem Verständnis zu schließen.

Bentz untersucht, wie massereich die supermassiven Schwarzen Löcher im Zentrum ferner Galaxien werden können. Sie erforscht auch Korrelationen zwischen der Größe von Schwarzen Löchern und den Eigenschaften der Galaxien, in denen sie leben. Sie hofft, dass ihre Beobachtungen dazu beitragen können, Computermodelle zu erstellen, mit denen Menschen herausfinden können, wie sich Schwarze Löcher im Laufe der Zeit entwickeln, und Fragen beantworten können über die Bildung des Universums.

Bellovary arbeitet an der Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA), einer Mission, die für die 2030er Jahre geplant ist und die drei Raumschiffe umfasst, die sich in einem Abstand von 2, 5 Millionen Kilometern hinter der Erdumlaufbahn befinden. Es wird ein weltraumgestützter Gravitationswellendetektor sein, der LIGO ähnelt, sich jedoch auf supermassive Schwarzlochfusionen anstelle von Sternmassen-Schwarzlochfusionen konzentriert.

»Ich bin sehr aufgeregt darüber, denn es wird uns Einblicke in Dinge geben, die wir mit Licht nie sehen können, und uns lehren, wie schwarze Löcher wachsen, wie oft sie miteinander verschmelzen, oder? wie bilden sie sich, wie viele von ihnen gibt es, gibt es einige an Orten, an denen wir sie nicht sehen können? alle möglichen Dinge, die wir niemals könnten mit Licht antworten «, sagt Bellovary.

Schwarze Löcher sind faszinierend, riesig und immer noch sehr unbekannt, aber eines ist den Forschern sicher. Sie sind nicht gefährlich. Es gibt keine, die uns nahe stehen, und wir brauchen uns keine Sorgen zu machen «, sagt Bellovary. »Es gibt noch viele andere Dinge, um die man sich Sorgen machen muss.«

Bentz stimmt nachdrücklich zu. »Sie sind extrem, aber nicht beängstigend«, sagt sie. Wenn sie den Ängsten der Menschen nach unten begegnet, dass schwarze Löcher um die Galaxie laufen und Welten und Sternensysteme verschlingen, weist sie darauf hin, dass der Erde nicht viel passieren würde, wenn Sie unsere Sonne durch ein schwarzes Loch mit genau der gleichen Masse ersetzen würden Die Umlaufbahn. Die Erde würde einfach weiter um sie kreisen, wie es immer zuvor war. Es würde einfach richtig dunkel und kalt werden. Wir müssten in das Schwarze Loch fallen, um verschlungen zu werden - und wenn wir in die Sonne fallen würden, wäre das auch sehr schlimm

»Schwarze Löcher sind so weit von uns entfernt, dass sie nicht gefährlich sind. Es ist nur [gefährlich], wenn Sie sich einem nähern, dann ist es zu spät für Sie. “, Sagt Bellovary.

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