Können irgendwelche Sterne jemals supermassereiche Schwarze Löcher bilden?

Wie Sie sagen, ist die schnelle Entstehung von Schwarzen Löchern im frühen Universum ein großes ungelöstes Problem in der Astrophysik. Es gibt verschiedene Hypothesen, von denen zwei grob supermassereichen Sternen entsprechen. Alle beinhalten im Grunde den Versuch, dem Schwarzen Loch einen Massenvorsprung zu verschaffen. Es gibt nicht wirklich genug Zeit, um a zu wachsen$100\,M_\odot$Schwarzes Loch zu$10^9\,M_\odot$, also ist die Idee, lieber etwas Massiveres als ein paar zu bekommen$\times1000\,M_\odot$. Die neueste Rezension, die ich ohne weiteres kenne, ist wahrscheinlich Volonteri (2010) , aber ich bin nicht auf dem neuesten Stand der Literatur.

Stellen Sie sich im Grunde ein paar hunderttausend Sonnenmassen aus Gas vor, die in eine Urgalaxie kollabieren. Wenn das Gas zusammenbricht, zersplittert es möglicherweise, je nachdem, ob es effizient kühlen kann oder nicht. Wenn ja, können die Fragmente vermutlich Sterne bilden, aber in einem sehr dichten Haufen. Letztendlich kollabieren entweder (a) die massereichen Sterne im Haufen zu Schwarzen Löchern, die dann zu einem größeren Schwarzen Loch verschmelzen, das anschließend seinen Weg zur Supermassivität (Supermasse?) akkretieren kann; oder (b) die einzelnen Sterne verschmelzen zuerst in der Mitte, wodurch ein Stern von vielleicht einigen tausend Sonnenmassen entsteht, der zu einem massiven schwarzen Loch kollabieren würde, das wachsen könnte.

Wenn die ursprüngliche galaktische Wolke nicht zersplittert, erwarten wir eine Art monolithischen Kollaps. Irgendwo in der Mitte beginnt das Gas, ein hydrostatisches Gleichgewicht zu erreichen: ein Protostern entsteht. Aber es ist ein Protostern, der möglicherweise mehrere Sonnenmassen an Material pro Jahr (oder sogar noch schneller) ansammelt. Was als nächstes passiert, hängt also davon ab, ob dieses schnelle Einströmen von Material Zeit braucht, um ein lokales thermisches Gleichgewicht mit dem Protostern zu erreichen, oder ob es sich nur an der Außenseite anhäuft.

Wenn Ersteres, dann kann der Protostern sehr groß werden: Tausende oder Zehntausende von Sonnenmassen, die am Ende vermutlich wie das Supermerger-Produkt ein massereiches Schwarzes Loch hinterlassen. Wenn sich der kleine Protostern unabhängig vom einfallenden Gas entwickelt, ist er wahrscheinlich auch groß genug, um ein Schwarzes Loch zu hinterlassen, nur ein viel kleineres: Dutzende, vielleicht Hunderte von Sonnenmassen. Aber es ist ein Schwarzes Loch, das in diese riesige Wolke aus einfallendem Gas eingebettet ist, das sich möglicherweise in einer Hülle um das Schwarze Loch herum absetzt. Diese Struktur wurde als „Quasi-Stern“ bezeichnet, und das Schwarze Loch im Inneren kann in diesem Kokon sehr schnell wachsen. Schließlich wird die Hülle verdampfen/zerstreuen und das jetzt massive Schwarze Loch verlassen, um seinen Weg zur Supermassivität weiter zu akkretieren.

Beachten Sie, dass diese Entstehungsmechanismen voraussichtlich spezifisch für das frühe Universum sind. Sobald Sie dem Gas auch nur eine kleine Menge Metalle hinzufügen, wird erwartet, dass die Sternentstehung viel mehr wie das "moderne" Universum aussieht. Tatsächlich ist die Sternentstehung in diesen Szenarien noch lange nicht abgeschlossen. Der Hauptgrund ist, dass Sie verfolgen müssen, wie sich das Gas von der Größe der Protogalaxie bis hinunter zu den Protosternen im Inneren entwickelt. Dies ist eine Reihe von Skalen, so etwas wie$1\,\mathrm{AU}/10,000\,\mathrm{ly}\approx10^{-9}$, was numerisch sehr schwierig ist.

Und schließlich, um die Frage direkt zu beantworten, kollabieren die Sterne in keiner der supermassereichen Sternoptionen wirklich in supermassereichen Schwarzen Löchern. SMBHs sind so groß, dass sie nur durch Zuwachs so groß geworden sein können. Die supermassereichen Sterne würden in ihre Vorläufer (oder „Samen“) kollabieren, die anschließend zu solch großen Massen anwachsen würden.

Sehr frühe Sterne wurden aus Material konstruiert, das beim Urknall produziert wurde. Dies wäre fast vollständig Wasserstoff und Helium ohne "Metalle". Es ist einfacher, massereichere Sterne aus solchem ​​Material zu bilden, da es für Strahlung transparenter ist. Dennoch wird angenommen, dass die größten dieser Sterne der Population III nur etwa 1000 Sonnenmassen haben.

Supermassereiche Schwarze Löcher müssen daher (schnell) wachsen, entweder durch Verschmelzungen in Haufen oder zwischen Galaxien oder durch schnelle Akkretion von Gas auf ein Schwarzes Loch mit viel geringerer Masse.

Wie genau ist ein großes ungelöstes Problem der Astrophysik?