Kosmische Simulation zeigt, wie Schwarze Löcher wachsen und sich entwickeln

Einem Team von Astrophysikern unter der Leitung des Caltech ist es erstmals gelungen, die Reise von Urgas aus dem frühen Universum bis zu dem Stadium zu simulieren, in dem es von einer Materiescheibe erfasst wird, die ein einzelnes supermassives Schwarzes Loch speist. Die neue Computersimulation stellt die seit den 1970er Jahren vorherrschenden Vorstellungen von solchen Scheiben auf den Kopf und ebnet den Weg für neue Erkenntnisse darüber, wie Schwarze Löcher und Galaxien wachsen und sich entwickeln.

„Unsere neue Simulation stellt den Höhepunkt mehrjähriger Arbeit aus zwei großen Kooperationen dar, die hier am Caltech begonnen haben“, sagt Phil Hopkins, der Ira S. Bowen-Professor für theoretische Astrophysik.

Die erste Zusammenarbeit mit dem Spitznamen FIRE (Feedback in Realistic Environments) konzentrierte sich auf die größeren Skalen des Universums und untersuchte Fragen wie die Entstehung von Galaxien und was passiert, wenn Galaxien kollidieren. Die andere, STARFORGE, wurde entwickelt, um viel kleinere Skalen zu untersuchen, darunter die Frage, wie Sterne in einzelnen Gaswolken entstehen.

„Aber zwischen beiden gab es eine große Lücke“, erklärt Hopkins. „Jetzt haben wir diese Lücke zum ersten Mal überbrückt.“

Dazu mussten die Forscher eine Simulation mit einer mehr als 1.000-mal höheren Auflösung erstellen als die bisher beste auf diesem Gebiet.

Zur Überraschung des Teams gemeldet In Das Open Journal of AstrophysicsDie Simulation ergab, dass Magnetfelder bei der Entstehung und Formung der riesigen Materiescheiben, die um die supermassiven Schwarzen Löcher wirbeln und sie speisen, eine weitaus größere Rolle spielen als bislang angenommen.

„Unsere Theorien sagten uns, dass die Scheiben flach wie Crêpes sein sollten“, sagt Hopkins. „Aber wir wussten, dass das nicht stimmte, denn astronomische Beobachtungen zeigten, dass die Scheiben eigentlich flauschig sind – eher wie ein Biskuitkuchen. Unsere Simulation half uns zu verstehen, dass Magnetfelder das Scheibenmaterial stützen und es flauschiger machen.“

Visualisierung der Aktivität um supermassive Schwarze Löcher mit „Super-Zoom-Ins“

In der neuen Simulation führten die Forscher einen sogenannten „Superzoom“ auf ein einzelnes supermassives Schwarzes Loch durch, ein monströses Objekt, das im Herzen vieler Galaxien liegt, darunter auch unserer eigenen Milchstraße. Diese gefräßigen, mysteriösen Körper haben tausende bis Milliarden Mal mehr Masse als die Sonne und üben daher einen enormen Einfluss auf alles aus, was ihnen nahe kommt.

Astronomen wissen seit Jahrzehnten, dass Gas und Staub, wenn sie von der enormen Schwerkraft dieser schwarzen Löcher angezogen werden, nicht sofort eingesaugt werden. Stattdessen bildet das Material zunächst eine schnell wirbelnde Scheibe, die Akkretionsscheibe genannt wird. Und kurz vor dem Einfallen strahlt das Material eine enorme Energiemenge aus und leuchtet mit einer Helligkeit, die von kaum etwas im Universum erreicht wird. Über diese aktiven supermassiven schwarzen Löcher, die Quasare genannt werden, und darüber, wie sich die Scheiben, die sie speisen, bilden und verhalten, ist jedoch noch vieles unbekannt.

Zwar wurde schon früher von Scheiben um supermassive Schwarze Löcher berichtet – das Event Horizon Telescope hat im Jahr 2022 Scheiben aufgenommen, die Schwarze Löcher im Herzen unserer eigenen Galaxie umkreisen, und im Jahr 2019 auch Scheiben um Messier 87. Diese Scheiben sind jedoch viel näher und sanfter als jene, die sich um Quasare drehen.

Um zu visualisieren, was um diese aktiveren und weiter entfernten schwarzen Löcher herum geschieht, greifen Astrophysiker auf Supercomputer-Simulationen zurück. Sie speisen Tausende von parallel arbeitenden Rechenprozessoren mit Informationen über die physikalischen Vorgänge in diesen galaktischen Umgebungen ein – von den grundlegenden Gleichungen, die die Schwerkraft bestimmen, bis hin zur Behandlung von dunkler Materie und Sternen.

Diese Eingabe enthält viele Algorithmen oder Anweisungsreihen, denen die Computer folgen müssen, um komplizierte Phänomene nachzubilden. So wissen die Computer beispielsweise, dass sich ein Stern bildet, sobald das Gas dicht genug ist. Aber der Prozess ist nicht so einfach.

„Wenn Sie einfach sagen, dass die Schwerkraft alles nach unten zieht und das Gas dann irgendwann einen Stern bildet und sich die Sterne einfach anhäufen, liegen Sie völlig falsch“, erklärt Hopkins.

Schließlich haben Sterne viele Dinge, die ihre Umgebung beeinflussen. Sie strahlen Strahlung ab, die das umgebende Gas erhitzen oder verdrängen kann. Sie erzeugen Winde wie den Sonnenwind, der von unserer Sonne erzeugt wird und Material mit sich reißen kann. Sie explodieren als Supernovas und schleudern dabei manchmal Material aus Galaxien heraus oder verändern die Chemie ihrer Umgebung. Die Computer müssen also auch alle Einzelheiten dieses „stellaren Feedbacks“ kennen, da es bestimmt, wie viele Sterne eine Galaxie tatsächlich bilden kann.

Erstellen einer Simulation, die mehrere Maßstäbe umfasst

Aber bei diesen größeren Maßstäben sind die physikalischen Vorgänge, die am wichtigsten sind, und die Annäherungen, die man machen kann, anders als bei kleineren Maßstäben. Auf der galaktischen Skala zum Beispiel sind die komplizierten Details des Verhaltens von Atomen und Molekülen extrem wichtig und müssen in jede Simulation eingebaut werden. Wissenschaftler sind sich jedoch einig, dass, wenn sich Simulationen auf den unmittelbareren Bereich um ein schwarzes Loch konzentrieren, die molekulare Chemie weitgehend ignoriert werden kann, weil das Gas dort zu heiß ist, als dass Atome und Moleküle existieren könnten. Stattdessen existiert dort heißes ionisiertes Plasma.

Die Erstellung einer Simulation, die alle relevanten Skalen bis hinunter zur Ebene einer einzelnen Akkretionsscheibe um ein supermassives Schwarzes Loch abdecken konnte, war eine enorme rechnerische Herausforderung – und erforderte zudem einen Code, der die gesamte Physik verarbeiten konnte.

„Es gab einige Codes, die die physikalischen Gesetze enthielten, die man brauchte, um den kleinräumigen Teil des Problems zu lösen, und einige Codes, die die physikalischen Gesetze enthielten, die man brauchte, um den größeren, kosmologischen Teil des Problems zu lösen, aber keinen, der beides hatte“, sagt Hopkins.

Das von Caltech geleitete Team verwendete für die Simulationsprojekte im großen und kleinen Maßstab einen Code namens GIZMO. Wichtig dabei war, dass sie das FIRE-Projekt so bauten, dass die gesamte Physik, die sie darin einfügten, mit dem STARFORGE-Projekt funktionieren konnte und umgekehrt.

„Wir haben es sehr modular aufgebaut, sodass man für ein bestimmtes Problem alle gewünschten physikalischen Elemente ein- und ausschalten konnte, sie waren jedoch alle miteinander kompatibel“, sagt Hopkins.

Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern in ihrer neuesten Arbeit, ein Schwarzes Loch zu simulieren, das etwa 10 Millionen Mal so groß ist wie unsere Sonne, und zwar ausgehend vom frühen Universum. Die Simulation zoomt dann auf dieses Schwarze Loch in dem Moment, in dem ein riesiger Materialstrom aus einer Wolke aus sternbildendem Gas herausgerissen wird und beginnt, um das supermassive Schwarze Loch zu wirbeln. Die Simulation kann weiter hineinzoomen und mit jedem Schritt einen feineren Bereich auflösen, während sie dem Gas auf seinem Weg zum Loch folgt.

Überraschend flauschige Magnetscheiben

„In unserer Simulation sehen wir, wie sich diese Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch bildet“, sagt Hopkins. „Wir wären sehr aufgeregt gewesen, wenn wir diese Akkretionsscheibe einfach gesehen hätten, aber was uns sehr überraschte, war, dass die simulierte Scheibe nicht so aussieht, wie wir es uns jahrzehntelang vorgestellt hatten.“

In zwei wegweisenden Arbeiten aus den 1970er Jahren, die die Akkretionsscheiben beschrieben, die supermassive Schwarze Löcher mit Energie versorgen, gingen Wissenschaftler davon aus, dass der thermische Druck – die Druckänderung aufgrund der Temperaturänderung des Gases in den Scheiben – die Hauptrolle dabei spielt, zu verhindern, dass solche Scheiben unter der enormen Schwerkraft, der sie in der Nähe des Schwarzen Lochs ausgesetzt sind, kollabieren. Sie räumten ein, dass Magnetfelder bei der Stabilisierung der Scheiben eine untergeordnete Rolle spielen könnten.

Im Gegensatz dazu ergab die neue Simulation, dass der Druck, der durch die Magnetfelder solcher Scheiben entsteht, tatsächlich 10.000 Mal größer ist als der Druck, der durch die Hitze des Gases entsteht.

„Die Scheiben werden also fast vollständig von den Magnetfeldern gesteuert“, sagt Hopkins. „Die Magnetfelder erfüllen viele Funktionen, eine davon besteht darin, die Scheiben zu stützen und das Material bauschig zu machen.“

Diese Erkenntnis verändert eine Vielzahl von Vorhersagen, die Wissenschaftler über solche Akkretionsscheiben machen können, etwa über ihre Masse, ihre Dichte und Dicke, die Geschwindigkeit, mit der Material von ihnen in ein schwarzes Loch gelangen kann und sogar über ihre Geometrie (etwa, ob die Scheiben schief sein können).

Hopkins hofft, dass diese neue Fähigkeit, die Lücke in den Skalen für kosmologische Simulationen zu schließen, in Zukunft viele neue Forschungsansätze eröffnen wird. Was passiert beispielsweise im Detail, wenn zwei Galaxien verschmelzen? Welche Arten von Sternen bilden sich in den dichten Regionen von Galaxien, in denen andere Bedingungen herrschen als in der Nachbarschaft unserer Sonne? Wie könnte die erste Generation von Sternen im Universum ausgesehen haben?

„Es gibt einfach so viel zu tun“, sagt er.