Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 560: Quasi-Sterne

Description

Ein Stern der kein echter Stern ist, sondern in dem sich ein schwarzes Loch versteckt? Klingt seltsam, k├Ânnte aber die Antwort auf eine ungel├Âste Frage der Astronomie sein. Mehr dazu erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterst├╝tzen m├Âchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

Subtitle
Kosmische ├ťberraschungseier ohne Schokolade aber mit schwarzem Loch
Duration
777
Publishing date
2023-08-18 05:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/560-sternengeschichten-folge-560-quasi-sterne
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
https://audio.podigee-cdn.net/1190348-m-5914a77e9a19d0b85712ee9e63705c7d.mp3?source=feed-scienceblogs
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Shownotes

Kosmische ├ťberraschungseier ohne Schokolade aber mit schwarzem Loch

Sternengeschichten Folge 560: Quasi-Sterne

In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um Quasi-Sterne. Und damit sind nicht die "quasi stellar objects" gemeint, beziehungsweise die "Quasare"; also die aktiven Zentren von fernen Galaxien, von denen ich in Folge 52 schon ausf├╝hrlich erz├Ąhlt habe. Die Quasi-Sterne um die es jetzt geht sind, sind wie normale Sterne, nur nicht so ganz. Quasi Sterne eben. Es sind Objekte, die von au├čen so aussehen wie normale Sterne, in deren Inneren sich aber eine ├ťberraschung verbirgt. Diese kosmischen ├ťberraschungseier sollte man aber eher geschlossen halten, denn in ihnen gibt es nichts zum Spielen und auch keine Schokolade. Sie sind allerdings ├Ąu├čerst spannend und um zu verstehen, warum das so ist, m├╝ssen wir bei einem ganz anderen Problem anfangen.

Und brauchen daf├╝r jetzt doch noch einmal kurz die Quasare, die ich zu Beginn erw├Ąhnt habe. Wir wissen, dass sich in den Zentren aller gro├čen Galaxien gigantische schwarze L├Âcher befinden, deren Masse das Millionen- bis Milliardenfache der Sonnenmasse betragen kann. Solche supermassereichen schwarzen L├Âcher k├Ânnen ruhig sein oder aktiv, je nachdem was sich in ihrer Umgebung befindet. In jungen Galaxien gibt es jede Menge Gas und Staub und all das wirbelt um das zentrale schwarze Loch herum, bevor es hineinf├Ąllt. Bei diesem Wirbeln wird elektromagnetische Strahlung freigesetzt und deswegen leuchtet die Umgebung dieser aktiven schwarzen L├Âcher enorm hell. So hell, dass man das auch noch in gro├čer Entfernung beobachten kann. Diese aktiven Zentren ferner Galaxien nennt man auch "Quasare"; die Zentren von alten Galaxien wie unserer Milchstra├če sind dagegen ruhiger. Dort ist nur noch sehr wenig Staub und Gas und diese supermassereichen schwarzen L├Âcher bringen ihre Umgebung deswegen deutlich weniger stark zum Leuchten.

Dass es supermassereiche L├Âcher in den Zentren der Galaxien gibt, wei├č man schon lange (dar├╝ber habe ich in Folge 455 mehr erz├Ąhlt) und sp├Ątestens als wir 2019 das erste Bild so eines supermassereichen schwarzen Lochs gemacht haben, besteht dar├╝ber kein Zweifel mehr. Was wir dagegen nicht gut verstehen, ist die Entstehung dieser Objekte. Wir wissen, wie normale schwarze L├Âcher entstehen, also schwarze L├Âcher die bis zu ein paar Dutzend Mal schwerer sind als die Sonne. So etwas bildet sich, wenn ein gro├čer Stern am Ende seines Leben keine Kernfusion mehr durchf├╝hren kann und unter seinem eigenen Gewicht immer weiter in sich zusammenf├Ąllt. Es gibt aber keine Sterne, die so gro├č sind, dass sie zu einem schwarzen Loch kollabieren, dass ein paar Millionen Sonnenmassen hat.

Kein Problem, k├Ânnte man denken: Dann entstehen diese gewaltigen schwarzen L├Âcher halt in dem viele kleine miteinander verschmelzen. Das ist prinzipiell zwar m├Âglich. Aber es braucht Zeit und wir haben mittlerweile aktive Galaxien entdeckt, die nur ein paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existieren - und das ist zu kurz, als dass ein supermassereiches schwarzes Loch aus vielen kleinen entstehen kann. Es muss also einen anderen Mechanismus geben; einen Mechanismus, der schwarze L├Âcher produziert, die deutlich gr├Â├čer sind als sie normalerweise aus dem Kollaps eines Sterns entstehen w├╝rden.

Die Quasi-Sterne sind genau so ein Mechanismus. Und zwar ein hypothetischer, das sage ich am besten gleich dazu. Wir wissen nicht, ob es solche Objekte gibt, aber wenn, dann w├Ąren sie enorm faszinierend. Simpel gesagt handelt es sich um einen Stern, in dessen Inneren ein schwarzes Loch sitzt. Nur dass es eben kein echter Stern sein kann; in normalen Sternen findet im Zentrum Kernfusion statt und die sorgt daf├╝r, dass so ein Stern ├╝berhaupt so funktionieren kann, wie ein Stern. Die gro├čen Mengen an Gas aus denen ein Stern besteht, wollen unter ihrer eigenen Schwerkraft immer st├Ąrker in sich zusammenfallen; die bei der Kernfusion freiwerdende Strahlung dagegen bewegt sich vom Kern nach au├čen und wirkt diesem Kollaps entgegen. Deswegen bleibt ein Stern stabil und es klingt ein wenig seltsam, wenn man behauptet, dass im Kern eines Sterns auch ein schwarzes Loch sein kann. Das schwarze Loch zieht einfach alles an, verschluckt die Gasmassen des Sterns und fertig. Am Ende kriegen wir ein schwarzes Loch und es bleibt weder ein Stern ├╝brig, noch ein Quasi-Stern.

Das ist im Prinzip richtig. Aber in Warheit auch ein wenig komplizierter. Gehen wir zur├╝ck in die Fr├╝hzeit des Universums, als es noch keine Sterne gab. Nur sehr viel Wasserstoff und Helium; die anderen chemischen Elemente gab es damals noch nicht, denn die m├╝ssen ja erst durch die nuklearen Prozesse in den Sternen produziert werden. Die gigantischen Gaswolken aus Wasserstoff und Helium kollabieren und bilden nun genau diese ersten Sterne. Es kann aber auch sein, dass die Gaswolke so enorm viel Masse hat, dass sie gleich direkt zu einem schwarzen Loch kollabiert. Und es kann sein, dass da noch viel mehr Masse ist. Dann kriegen wir ein schwarzes Loch mit einer H├╝lle aus Wasserstoff und Helium. Und warum f├Ąllt dieses ganze Zeug nicht auch einfach ins schwarze Loch?

Weil schwarze L├Âcher eben nicht einfach nur L├Âcher sind, in das Zeug kommentarlos hineinf├Ąllt. Ich hab das zu Beginn schon erw├Ąhnt: Material in der N├Ąhe eines schwarzen Lochs f├Ąllt nicht auf direktem Weg hinein, so wie ein Stein, den man in ein Loch im Boden wirft. Es wird beschleunigt; es wirbelt auf spiralf├Ârmigen Umlaufbahnen um das Loch herum, bis es irgendwann am Ende dabei so nahe gekommen ist, dass es der Anziehungskraft nicht mehr entkommen kann. Und bei dieser enorm schnellen Bewegung wird das Material so stark aufgeheizt, dass es Strahlung abgibt. Diese Strahlung kann so stark sein, dass sie das verbliebene Material in der Umgebung des schwarzen Lochs regelrecht davon pustet und deswegen kann ein schwarzes Loch auch nicht so einfach beliebig stark anwachsen. Man nennt das das "Eddington-Limit": Wenn ein schwarzes Loch zu viel Zeug verschluckt, entsteht dabei so viel Strahlung, dass der Rest weit hinaus ins All gedr├╝ckt wird und nicht mehr ins Loch fallen kann. Das Wachstum des schwarzen Lochs hat also eine eingebaute Grenze und das ist ein Problem, wenn wir auf der Suche nach einem Mechanismus sind, der ├╝berdurchschnittlich gro├če schwarze L├Âcher produziert.

Es ist allerdings nur auf den ersten Blick ein Problem. Auf den zweiten Blick sieht die Situation n├Ąmlich so ├Ąhnlich aus, wie ich es vorhin kurz bei den normalen Sternen erz├Ąhlt habe. Die Gravitation will den Stern kollabieren lassen; der Strahlungsdruck der Kernfusion wirkt dem entgegen und es entsteht ein Gleichgewicht, dass den Stern stabil h├Ąlt. Jetzt haben wir eine sehr gro├če Menge an Gas, die kollabiert. Ein schwarzes Loch entsteht; verschluckt noch mehr Material und dabei wird Strahlung frei, die nach au├čen dr├Ąngt. Wenn die Gash├╝lle um das schwarze Loch aber aussreichend viel Masse hat, dann kann sie durch diese Strahlung NICHT weggedr├╝ckt werden. Wir kriegen ein Gleichgewicht, zwischen der Strahlung die aus der Umgebung des schwarzen Lochs frei wird und der Gravitationskraft der Gash├╝lle. Und auch hier kann am Ende eine Art von Gleichgewicht entstehen. Kein dauerhaftes nat├╝rlich. Die Strahlung die aus der Umgebung des schwarzen Lochs kommt, reicht nicht, um die ├Ąu├čere Gash├╝lle davon zu pusten. Sie kann sie aber auch nicht dauerhaft auf Abstand zum schwarzen Loch halten. Das hei├čt, es f├Ąllt weiterhin st├Ąndig Material aus der H├╝lle ins Loch; das Loch w├Ąchst - langsam - immer weiter, bis die Gash├╝lle irgendwann komplett weg ist. Es dauert circa 7 Millionen Jahre, bis alles verschluckt ist, aber w├Ąhrend dieses Vorgangs w├╝rde das Objekt von au├čen so aussehen, wie ein gro├čer, hei├čer Stern, obwohl er alles andere ist als ein normaler Stern.

"Gro├č" hei├čt hier wirklich gro├č: Ein solcher Quasi-Stern h├Ątte eine Masse von circa 10 Millionen Sonnenmassen; so viel wie manche sehr kleine Galaxien. Und der Quasi-Stern ist zwar gro├č, aber definitiv kleiner als eine Galaxie, weil eben ein gro├čer Teil der Masse im schwarzen Loch in seinem Inneren sitzt. Die ├Ąu├čersten Schichten der Gash├╝lle, die das Loch umgeben h├Ątten eine Temperatur von circa 10.000 Grad, was circa doppelt so viel ist als bei der Sonne, aber nicht unbedingt untypisch f├╝r Sterne.

Wichtig ist aber, was am Ende passiert: Nachdem das schwarze Loch die gesamten Gasmassen verschluckt hat, hat es eine Masse von ein paar tausend Sonnenmassen und das ist deutlich mehr, als es normalerweise haben k├Ânnte. Denn normalerweise w├╝rde eben das Eddington-Limit verhindern, dass ein schwarzes Loch zu stark w├Ąchst. Weil wir bei einem Quasi-Stern aber genau die richtigen Bedingungen haben; weil die Masse der Gash├╝lle genau gro├č genug ist, um NICHT durch die Strahlung davon gepustet zu werden; weil wir hier das schwarze Loch quasi langsam genug f├╝ttern: Deswegen kann es ├╝ber sein normales Limit hinaus wachsen. Und wenn so etwas oft genug vorkommt und es ausreichend viele solcher schwarzen L├Âcher gibt, die aus Quasi-Sternen entstanden sind, und DIE miteinander verschmelzen, dann k├Ânnte das schnell genug passieren, um zu erkl├Ąren, wie die supermassereichen schwarzen L├Âcher entstanden sind, die wir heute beobachten.

Die ganze Sache klingt plausibel; ist aber eben nur eine Hypothese. Und eine, die schwer zu ├╝berpr├╝fen ist. Quasi-Sterne kann es nur im fr├╝hen Universum gegeben haben. Sie k├Ânnen nur aus Gaswolken entstehen, die aus Wasserstoff und Helium bestehen. Beziehungsweise: Sie k├Ânnen nur aus Gaswolken entstehen, in denen au├čer Wasserstoff und Helium sonst keine anderen Elemente enthalten sind. Warum das so ist, ist fast schon wieder ein Thema f├╝r eine eigene Sternengeschichte. Aber ganz kurz erkl├Ąrt: Wie gro├č eine Gaswolke beziehungsweise ein Protostern werden kann, h├Ąngt unter anderem auch von der F├Ąhigkeit des Gases ab, sich selbst zu k├╝hlen. Ansonsten landen wir wieder beim Eddington-Limit: Wenn die Gasmassen zu hei├č werden, dann k├Ânnen sie nicht mehr zu einem kompakteren Objekt wie einem Stern kollabieren sondern fliegen auseinander. Aus diversen Gr├╝nden, auf die ich hier jetzt nicht eingehen m├Âchte, l├Ąuft der K├╝hlungsprozess effizienter, wenn in einer Gaswolke nicht nur Wasserstoff und Helium vorhanden sind, sondern auch andere chemische Elemente. Die gab es aber im fr├╝hen Universum nicht; und deswegen waren damals sehr, sehr gro├če Gaswolken n├Âtig, mit ausreichend viel Masse, um die ersten Sterne entstehen zu lassen. Nur solche gro├čen Massen konnten ausreichend viel Gravitationskraft aufbringen, um trotz der schlechteren K├╝hlung zu Sternen zu kollabieren. Deswegen waren die erste Sterne im Universum so viel gr├Â├čer als die Nachfolgegenerationen, denen dann ja schon die chemischen Elemente zur Verf├╝gung standen, die diese ersten Sterne bei der Kernfusion erzeugt haben.

F├╝r einen Quasi-Stern braucht man aber noch viel mehr kollabierende Masse und wenn man das mit einer "modernen" Gaswolke aus dem heutigen Universum versuchen w├╝rde, w├╝rde das nicht klappen. Es kann sie nur im fr├╝hen Universum gegeben haben und ein paar Millionen Jahre sp├Ąter waren sie schon wieder verschwunden und zu gro├čen schwarzen L├Âchern geworden.

Irgendwie m├╝ssen die supermassereichen schwarzen L├Âcher entstanden sein; immerhin wissen wir ja, dass sie da sind. Vielleicht waren die Quasi-Sterne im fr├╝hen Universum ihr Ursprung. Und vielleicht finden wir irgendwann auch noch einen Weg, das zweifelsfrei nachzuweisen. Bis dahin bleibt es weiter spannend; ganz ohne Schokolode.