Gibt es Beweise dafür, dass Gas jemals ein Schwarzes Loch bildet, ohne zuerst ein Stern zu sein?

Erstens werden wir diesen Prozess im heutigen Universum nicht so sehen, weil Gaswolken mit erheblicher Metallanreicherung nicht direkt zu Schwarzen Löchern kollabieren können. Der Hauptgrund dafür ist, dass mit Metallen angereichertes Gas aus früheren Sternengenerationen effektiv abkühlen kann und dies zur Fragmentierung einer kollabierenden Gaswolke führt.

Die Instabilität, die zum Kollaps einer Wolke führt, wird durch die Jeans-Masse bestimmt , die kleinste Masse, die wahrscheinlich kollabiert, die wie folgt skaliert$T^{3/2}/\rho^{1/2}$, Wo$T$ist die Temperatur und$\rho$die Dichte. Wenn das Gas beim Kollabieren effektiv abkühlen kann, bleibt die Temperatur in etwa konstant, die Jeans-Masse sinkt und die Wolke zerfällt in kleinere Kerne. Diese Kerne haben normalerweise eine stellare Größe.

Die Fragmentierung hört auf, weil das Gas irgendwann während des Kollapses für Infrarotstrahlung undurchlässig wird und die Wolke ein grobes hydrostatisches Gleichgewicht erreicht. Die verlorene Wärmeenergie führt zur Kontraktion und das Zentrum des Protosterns erwärmt sich. Das Problem bei der Bildung von Schwarzen Löchern besteht darin, dass es der kollabierenden Wolke nicht möglich ist, in ihren Schwarzschild-Radius vorzudringen, bevor sie die Kernfusion zündet.

Ich habe hier eine grobe Berechnung durchgeführt , die zeigt, dass das Innere der Wolke 500 Milliarden K erreichen würde, wenn sie auf einen Schwarzschild-Radius kollabiert wäre, also gibt es einfach keine Möglichkeit, dass dieser direkte Kollaps passieren kann. Es würde eine Kernfusion stattfinden und der Stern müsste seinen Lebenszyklus durchlaufen, bevor ein Zusammenbruch wieder aufgenommen werden kann.

Im frühen Universum könnte es jedoch möglich sein, dass eine Gaswolke direkt zu einem massiven Schwarzen Loch kollabiert, und dies könnte der Grund dafür sein, dass Quasare nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existieren können.

Ursprüngliches Gas, das nur aus Wasserstoff- und Heliumatomen besteht, kann nicht sehr effizient kühlen, Wasserstoffmoleküle können jedoch effizient strahlen. Der Schlüssel zum direkten Zusammenbruch zu einem Schwarzen Loch besteht darin, die Abkühlung und Fragmentierung des Gases zu verhindern. Dies kann erreicht werden, wenn eine externe UV-Strahlungsquelle, die von den ersten Sternen bereitgestellt wird, in der Lage ist, die Wasserstoffmoleküle zu dissoziieren. Die Urwolken sind dann weniger zersplitterungsanfällig, weil sie sich mit zunehmender Dichte aufheizen und die Jeans-Masse nicht klein werden kann. Diese großen Wolken sind nicht so dicht wie kleinere Massenwolken, wenn sie sich ihren Schwarzschild-Radien nähern, werden also für die von ihnen erzeugte Strahlung nicht undurchsichtig und können möglicherweise direkt zu großen Schwarzen Löchern kollabieren ($10^4$Zu$10^5$Sonnenmassen). Siehe diese Pressemitteilung für eine alternative Zusammenfassung dieser Idee und Links zu aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten zu diesem Thema (z. B. Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ; Smith, Bromm & Loeb 2017 ).

In Bezug auf Beweise gibt es keine direkten. Einige würden argumentieren, dass das Vorhandensein von supermassereichen Schwarzen Löchern nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bedeutet, dass diese massiven „Samen“-Schwarzen Löcher geschaffen werden müssen. Allerdings gibt es neben dem direkten Zusammenbruch noch andere Ideen, die noch möglich sein könnten (z. B. Verschmelzungen von Schwarzen Löchern innerhalb von Clustern), und daher muss die Antwort auf die Frage in Ihrem Titel zu diesem Zeitpunkt nein lauten .

Gab es Hinweise darauf, dass die Schwerkraft Gaspartikel dazu veranlasst, ein Schwarzes Loch zu bilden, ohne vorher ein Stern zu werden?

„Chandrasekhar leitete eine Beziehung zwischen der Masse des Sterns und seinem Radius ab, die eine Obergrenze für die Masse festlegt, die ein Weißer Zwerg haben kann, jenseits derer er zu einem Neutronenstern oder, wenn er ausreichend massereich ist, zu einem Schwarzen Loch kollabieren wird. ( http: / /archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/NumRel/BlackHoleFormation.html )"

So werden Schwarze Löcher traditionell so konzipiert, dass sie sich durch Sternentwicklung bilden. Ich denke, ein Schwarzes Loch zu bilden, ohne zuerst einen Stern zu bilden, würde eine enorme Menge an Masse oder wenig Platz erfordern. Abhängig von den spezifischen lokalen Bedingungen kann dies bei 1) supermassiver BH-Bildung oder 2) im frühen Universum geschehen (diese beiden Punkte hängen zusammen).

1. In den Zentren von Galaxien existieren supermassereiche BHs. Supermassive BHs liegen in der Größenordnung von$10^6$Sonnenmassen. Also wenn wir uns vorstellen zu haben$10^6$Sonnenmassen, die in einem ansonsten leeren Raum sitzen, würde ich denken, dass sich kein Stern bilden würde, da die Zeitskala der Rückreaktion (wahrscheinlich) viel kleiner ist als die Zeitskala der Kernenergie. Doch dieses einfache Gedankenexperiment ist hinsichtlich der physikalischen Strukturbildung wenig realistisch.
2. Wie entsteht Struktur im Universum? Zwei Haupterklärungen herrschen vor: monolithisch (top-down) und hierarchisch (bottom-up). ( http://iopscience.iop.org/article/10.1086/305523/fulltext/ )

Monolithisch war die ursprüngliche Erklärung, heutzutage ist hierarchische Bildung günstiger (monolithisch ist noch nicht ganz ausgeschlossen). ( https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept05/Gawiser/Gawiser1.html ) „Das ursprüngliche Modell der Galaxienbildung war der monolithische Kollaps (Eggen et al. 1962), bei dem der Gravitationskollaps einer Wolke aus Urgas Sehr früh im Leben des Universums bildeten sich alle Teile jeder Galaxie gleichzeitig. Moderne Beweise schließen dieses Modell an zwei Fronten aus: Das stark unterschiedliche Alter verschiedener Komponenten der Galaxie liefert ein Gegenbeispiel, und die LambdaCDM-Kosmologie sagt es voraus "bottom-up", dh hierarchische statt "top-down" Strukturbildung."

Zur hierarchischen Bildung: ( http://burro.cwru.edu/Academics/Astr222/Cosmo/Structure/hierarchical.html ) ( https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question55.html )