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Eine neue Studie sagt die Existenz von Massen größer als supermassereiche Schwarze Löcher im Universum voraus

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In dieser Abbildung stößt ein supermassereiches Schwarzes Loch einen Strahl energiereicher Teilchen aus. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Nahe dem Zentrum der Milchstraße befindet sich ein massives Objekt, das Astronomen Sagittarius A* nennen. Dieses „supermassereiche“ Schwarze Loch ist möglicherweise mit unserer Galaxie gewachsen, und es ist nicht allein. Wissenschaftler glauben, dass ein ähnlicher Riese im Herzen fast aller großen Galaxien im Universum liegt.

Einige von ihnen können wirklich groß werden, sagte Joseph Simon, Postdoktorand am Department of Astrophysics and Planetary Sciences der University of Colorado Boulder.

„Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie ist millionenfach massereicher als die Sonne, aber wir sehen auch andere, von denen wir glauben, dass sie milliardenfach so groß sind wie die Sonne“, sagte er.

Der Astrophysiker hat seine Karriere der Erforschung des Verhaltens dieser schwer zu beobachtenden Objekte gewidmet. In einer aktuellen Studie nutzte er Computersimulationen oder „Modelle“, um die Massen der größten supermassiven Schwarzen Löcher im Universum vorherzusagen – ein mathematisches Konzept, das als Schwarzloch-Massenfunktion bekannt ist.

Mit anderen Worten: Simon wollte herausfinden, was man finden könnte, wenn man jedes dieser Schwarzen Löcher in gigantischem Maßstab nacheinander anordnen könnte.

Seine Berechnungen deuten darauf hin, dass Schwarze Löcher vor Milliarden von Jahren im Durchschnitt viel größer gewesen sein könnten, als Wissenschaftler bisher vermutet hatten. Die Ergebnisse könnten Forschern dabei helfen, ein größeres Rätsel zu lösen und die Kräfte aufzuklären, die Objekte wie Sagittarius A* geformt haben, als sie sich von winzigen Schwarzen Löchern zu den Riesen entwickelten, die sie heute sind.

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„Wir beginnen aus verschiedenen Quellen zu erkennen, dass es im Universum schon sehr früh sehr massereiche Dinge gab“, sagte Simon.

Er veröffentlichte seine Ergebnisse am 30. Mai in Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Galaktische Symphonie

Für Simon sind diese „sehr sperrigen Dinger“ sein Brot und Butter.

Der Astrophysiker ist Teil eines zweiten Forschungsvorhabens namens North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav). Mit dem Projekt haben Simon und Hunderte andere Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten und Kanada 15 Jahre lang ein Phänomen erforscht, das als „Gravitationswellenhintergrund“ bekannt ist. Das Konzept bezieht sich auf den konstanten Strom von Gravitationswellen oder riesigen Wellen in Raum und Zeit, die sich nahezu konstant durch das Universum bewegen.

Auch dieser kosmische Impuls hat seinen Ursprung in supermassereichen Schwarzen Löchern. Simon erklärte, dass bei einer Kollision zweier Galaxien im Weltraum auch die zentralen Schwarzen Löcher kollidieren und sogar verschmelzen könnten. Sie wirbeln herum, bevor sie aufeinanderprallen wie zwei Becken in einem Orchester – nur dieses Becken erzeugt Gravitationswellen, die das Gefüge des Universums buchstäblich verzerren.

Um den Hintergrund der Gravitationswellen zu verstehen, müssen Wissenschaftler zunächst wissen, wie massiv die supermassiven Schwarzen Löcher im Universum wirklich sind. Größere Becken erzeugen einen größeren Druck und erzeugen viel mehr Gravitationswellen, sagte Simon.

Es gibt nur ein Problem.

„Wir haben bereits gute Messungen der Massen der supermassiven Schwarzen Löcher unserer Galaxie und benachbarter Galaxien“, sagte er. „Wir haben nicht die gleichen Messungen für entfernte Galaxien. Wir müssen nur raten.“

Schwarze Löcher sind auf dem Vormarsch

Bei seiner neuen Forschung beschloss Simon, auf völlig neue Weise zu raten.

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Zunächst sammelte er Informationen über Hunderttausende Galaxien, die einige Milliarden Jahre alt sind. (Licht kann sich nur so schnell fortbewegen. Wenn Menschen also entfernte Galaxien beobachten, blicken sie in die Vergangenheit zurück.) Simon nutzte diese Informationen, um ungefähre Massen von Schwarzen Löchern für die größten Galaxien im Universum zu berechnen. Dann verwendete er Computermodelle, um die Hintergrundgravitationswellen zu simulieren, die diese Galaxien erzeugen würden und die derzeit die Erde umspülen.

Simons Ergebnisse enthüllen das gesamte Spektrum supermassereicher Schwarzer Lochmassen im Universum, die fast 4 Milliarden Jahre zurückreichen. Er bemerkte auch etwas Seltsames: Vor Milliarden von Jahren schien es viel mehr große Galaxien zu geben, die über das gesamte Universum verstreut waren, als einige frühere Studien vorhergesagt hatten. Es ergab keinen Sinn.

„Es bestand die Erwartung, dass man diese wirklich massiven Systeme nur im nahen Universum sehen würde“, sagte Simon. „Es braucht Zeit, bis Schwarze Löcher wachsen.“

Seine Forschung trägt jedoch zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, die darauf hindeuten, dass sie möglicherweise nicht so viel Zeit benötigen, wie Astrophysiker einst glaubten. Beispielsweise sah das NANOGrav-Team vor Milliarden von Jahren ähnliche Signale von riesigen Schwarzen Löchern, die im Universum lauerten.

Simon hofft vorerst, die gesamte Bandbreite der Schwarzen Löcher zu erforschen, die noch weiter in die Vergangenheit zurückreicht, und Hinweise darauf zu geben, wie die Milchstraße und schließlich unser Sonnensystem entstanden sind.

„Das Verständnis der Massen von Schwarzen Löchern ist für einige dieser grundlegenden Fragen von entscheidender Bedeutung, etwa zum Hintergrund der Gravitationswellen, aber auch für das Wachstum von Galaxien und die Entwicklung unseres Universums“, sagte Simon.

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Mehr Informationen:
Joseph Simon, Proxies Exploration of the Mass Function of the Supermassive Mass a Black Hole’s Supermassive Mass: Implications for Pulsar Time Arrays, Astrophysikalische Tagebuchbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acd18e

Zeitschrifteninformationen:
Astrophysikalische Tagebuchbriefe


Magda Franke

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