Computersimulation zu Sternenleichen Das All beherbergt 40 Milliarden Milliarden schwarze Löcher

Seit jeher rätseln Forschende, wie viele stellare schwarze Löcher es im Universum gibt. Dank einer Computersimulation sind sie der Antwort nun ein Stück näher gekommen: Es ist eine 4 mit 19 Nullen.
Spiralgalaxie NGC 1385 auf einer Aufnahme des »Hubble«-Weltraumteleskops

Spiralgalaxie NGC 1385 auf einer Aufnahme des »Hubble«-Weltraumteleskops

Foto: ESA / Hubble / NASA / J. Lee / PHANGS-HST

Das Weltall, unendliche Weiten. Und unendliche Mengen von Sternen, Planeten und Monden. Doch die Lebenszeit von Sternen ist begrenzt. Irgendwann ist der Brennstoffvorrat, der diese stellaren Kraftwerke antreibt, erschöpft. Dann werden sie beispielsweise zu Roten Riesen, Weißen Zwergen, Neutronensternen oder schwarzen Löchern – je nachdem, wie groß sie waren.

Aus unserer Sonne beispielsweise entsteht in einigen Milliarden Jahren zunächst ein sogenannter Roter Riese. Unser Stern wird sich aufblähen und sich seine Nachbarn, die Planeten Merkur und Venus einverleiben. Am Ende bleibt ein auskühlender Weißer Zwerg in einem hübschen planetarischen Nebel zurück. Als solche, etwa erdgroßen Kristallkugeln enden die meisten Sterne.

Aber manche werden auch zu sogenannten stellaren schwarzen Löchern. Diese merkwürdigen Objekte mit ihrer großen Gravitationswirkung, deren Masse sich in einem winzigen Punkt konzentriert, faszinieren Astronomen. Bekannt war, dass es sehr viele solcher Gravitationswunder, die selbst Licht anziehen und unwiederbringlich verschwinden lassen, gibt. Aber wie viele genau?

Einer Antwort haben sich nun Forscherinnen und Forscher um Alex Sicilia von der Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati in Triest per Computersimulation angenähert. Ihre Antwort, die sie im »The Astrophysical Journal«  veröffentlicht haben: 40 x 1018

Als Zahlenwort ausgedrückt handelt es sich um 40 Trillionen oder auch 40 Milliarden Milliarden – das entspricht einer 4 mit 19 Nullen. »Dies ist eine der ersten und robustesten Berechnungen der Massen stellarer schwarzer Löcher in der kosmischen Geschichte«, zitiert eine Mitteilung  Erstautor Sicilia.

7800 Lichtjahre entfernter Kugelsternhaufen NGC 6397: In seinem Zentrum entdeckten Forscher im Februar 2021 mit dem »Hubble«-Teleskop eine Anhäufung kleinerer schwarzer Löcher

7800 Lichtjahre entfernter Kugelsternhaufen NGC 6397: In seinem Zentrum entdeckten Forscher im Februar 2021 mit dem »Hubble«-Teleskop eine Anhäufung kleinerer schwarzer Löcher

Foto: NASA / ESA / T. Brown / S. Casertano / J. Anderson (STScI)

In die Simulation haben die Forscher das beobachtbare Universum über seine gesamte Dauer einbezogen, es entspricht einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 90 Milliarden Lichtjahren. Der Computer simulierte dann die Entstehung von unterschiedlichen Sternen: isolierte Exemplare, Doppelsternsysteme und Sternhaufen in den Galaxien.

Aber die Forscher haben noch etwas anderes herausgefunden: Etwa ein Prozent der gesamten gewöhnlichen Materie im Universum ist in schwarzen Löchern verborgen. Größere stellare schwarze Löcher, die eine Masse von einigen wenigen bis einigen Dutzend Sonnenmassen besitzen, entstehen hauptsächlich durch dynamische Ereignisse in Sternhaufen. Hier können solche Objekte auch miteinander verschmelzen und zu einem noch größeren schwarzen Loch werden, bei dem sich die Massen aufsummieren. Solche Ereignisse konnten Astronomen schon häufiger mit Gravitationswellenbeobachtungen verfolgen.

Wenn schwarze Löcher, die schon Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat, entstehen, ist der Sternentreibstoff aufgebraucht. Die Kernfusion im Inneren erlischt, das komplexe Gleichgewicht des Sterns gerät ins Wanken. Nach riesigen kosmischen Explosionen, sogenannten Supernovae, können stellare schwarze Löcher entstehen. Kommt die Masse von anderen kosmischen Objekten oder selbst Licht zu nahe, wird sie wie von einem Wasserfall im Inneren der Löcher verschwinden und niemals wieder zurückkehren.

In einer weiteren Arbeit wollen die Wissenschaftler sich auch mit supermassereichen schwarzen Löchern befassen. Über ihre Entstehung ist nur wenig bekannt. Forschende vermuten, dass solche, teils Milliarden Sonnenmassen großen Gravitationsriesen oft in den Zentren von Galaxien stecken. Bekannt ist etwa der Kern der Messier 87-Galaxie, einer 55 Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernten elliptischen Riesengalaxie, die Astronomen gern in den Blick nehmen, weil sie hell leuchtet und ein gut zu beobachtendes Zentrum besitzt.

Ein Rätsel stellen noch auch mittelgroße schwarze Löcher dar, die maximal einige Tausend Sonnenmassen umfassen sollen. Doch Hinweise auf diese Bindeglieder zwischen kleinen und sehr großen schwarzen Löchern fehlen bisher – nur einige Kandidaten für solche Objekte sind bekannt.

In einer Studie hatten Forscher der Nasa beispielsweise im vergangenen Jahr den Kugelsternhaufen NGC 6397 untersucht, der rund 7800 Lichtjahre von unserer Galaxie, der Milchstraße entfernt liegt. Doch statt so eines vermuteten mittelschweren schwarzen Lochs entdeckten die Wissenschaftler im Zentrum eine Anhäufung kleinerer schwarzer Löcher. Statt auf einen Punkt, der auf ein schwarzes Loch hingewiesen hätte, schien sich die Masse auf eine größere Fläche zu verteilen.