Was wäre, wenn sich im Zentrum der Sonne ein schwarzes Loch befände? Die Astronomen meinen es wirklich ernst!

Lassen Sie mich zunächst klarstellen, dass es sich hierbei weder um einen Wunschtraum noch um eine Szene aus einem Science-Fiction-Film handelt, sondern um ein Problem, das von Astronomen ernsthaft untersucht wird. Der Ursprung dieses Problems liegt sehr, sehr lange zurück.

01Urzeitliches Schwarzes Loch : Das Produkt des „ Chaos “ des Universums

Vor 13,7 Milliarden Jahren, als der Urknall begann, waren die anfänglichen Dichteschwankungen ungleichmäßig, insbesondere auf einigen kleinen Skalen. Möglicherweise gab es dort sehr dichte und heiße Bereiche, die weit über dem Durchschnittswert der großen Skalen des Universums lagen. Diese Regionen mit hoher Dichte könnten im sehr frühen Universum (10 hoch -24 bis 10 hoch -14 Sekunden nach dem Urknall) aufgrund der Schwerkraft zu schwarzen Löchern kollabiert sein . Solche Schwarzen Löcher werden primordiale Schwarze Löcher genannt (siehe Abbildung 1). Die Masse eines primordialen Schwarzen Lochs variiert stark, von 10 hoch -5 Gramm bis 10 hoch 38 Gramm (100.000 Sonnenmassen) , je nach dem Zeitpunkt seiner Entstehung . Je früher es geboren wird , desto geringer ist seine Masse .

Die Erforschung primordialer Schwarzer Löcher erfolgt noch immer auf theoretischer Ebene. Bisher konnten wir sie im Universum noch nicht entdecken, aber es gibt einige Beobachtungsdaten, die darauf schließen lassen, dass primordiale Schwarze Löcher existieren könnten, und ihre Existenz könnte viele Probleme der Astronomen lösen :

(1) Dunkle Materie : Viele Menschen glauben, dass die im Universum allgegenwärtigen primordialen Schwarzen Löcher dunkle Materie sein könnten oder zumindest einen Teil davon beitragen.

(2) Gravitationswellen haben eine große Anzahl von Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher nachgewiesen , von denen einige nur schwer durch einen Sternkollaps erklärt werden können. Es könnte sich um primordiale Schwarze Löcher handeln.

(3) Supermassive Schwarze Löcher wurden im frühen Universum entdeckt . So entdeckte das James-Webb-Teleskop beispielsweise vor Kurzem ein supermassereiches Schwarzes Loch mit der 40 Millionenfachen Masse der Sonne. Nach dem Urknall war es nur 500 Millionen Jahre alt. Damals wurde vor nicht allzu langer Zeit die erste Generation von Sternen geboren. Selbst wenn sie zu Schwarzen Löchern kollabiert wären, hätten sie nicht genug Zeit gehabt, um zu einem solch supermassiven Schwarzen Loch zu verschmelzen. Es ist möglich, dass die massereichen primordialen Schwarzen Löcher die Keime sind, die in so kurzer Zeit zu supermassereichen Schwarzen Löchern verschmelzen können.

Abbildung 1. Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute. Die Theorie sagt voraus, dass zu Beginn des Urknalls ein Schwarzes Loch entstehen würde, und diese Art von Schwarzem Loch wird als primordiales Schwarzes Loch bezeichnet. (Bild modifiziert von https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2021/12/Did_black_holes_form_immediately_after_the_Big_Bang)

02 Hawking-Stern: Ein Stern, in dessen Zentrum ein Schwarzes Loch „parasitiert“.

In den 1970er Jahren führten Hawking und sein Kollege Kyle umfangreiche Forschungen zu primordialen Schwarzen Löchern durch. Unter anderem schlug Hawking bei der Untersuchung der Quanteneffekte primordialer Schwarzer Löcher vor, dass Schwarze Löcher Strahlung erzeugen würden, die später als Hawking-Strahlung bezeichnet wurde. Ein primordiales Schwarzes Loch mit einer Masse von weniger als 10 hoch 15 Gramm (entspricht etwa einem Asteroiden mit einem Durchmesser von 1 km) würde aufgrund der Hawking-Strahlung langsam verdampfen und bis heute nicht „überleben“. Hawking schlug sogar die Idee vor, dass Sterne wie die Sonne, wenn das Universum voller extrem massereicher Schwarzer Löcher ist, viele davon absorbieren und schließlich im Zentrum der Sonne zu einem kleinen Schwarzen Loch mit einer Masse von etwa 10 hoch 17 Gramm verschmelzen könnten . Dies war das erste Mal, dass die Annahme aufkam, dass ein Schwarzes Loch im Zentrum eines Sterns parasitär wirken könnte. Um an Hawkings ursprüngliche Vermutung zu erinnern , schlugen einige Leute vor, diesen Himmelskörper „ Hawkings Stern “ zu nennen.

Doch wenn die Menschen an ein Schwarzes Loch denken, stellen sie es sich als ein gefräßiges Monster vor, das alles im Universum zerreißt und verschlingt. Wenn sich im Zentrum eines Sterns ein Schwarzes Loch befindet, würde man sich fragen, ob dieser von dem Schwarzen Loch in Stücke gerissen würde und nicht mehr wie ein normaler Stern wäre. Allerdings gibt es im Zentrum von Hawkings Stern ein kleines Schwarzes Loch, das im Vergleich zur Masse der Sonne ( 10 hoch 33 Gramm ) vernachlässigbar ist und keine katastrophalen Folgen für den Stern haben wird; selbst während der langen Lebensdauer des Sterns ist es schwierig, die Existenz dieses kleinen Schwarzen Lochs festzustellen.

03Wenn die Sonne ein Hawking-Stern ist

Würde es einen Unterschied machen, wenn die heutige Sonne ein Hawking-Planet wäre? Offensichtlich unterscheidet sich die innere Struktur von der eines normalen Sterns. Der bedeutendste Unterschied besteht darin, dass die Konvektion im Zentralbereich zunimmt, wodurch eine größere Konvektionszone im Inneren der Sonne entsteht und die verschiedenen Materieschichten durcheinandergewirbelt werden (denken Sie an kochendes Wasser). Auf die Oberfläche der Sonne hat dies jedoch fast keine Auswirkungen. Das durch die Akkretion Schwarzer Löcher erzeugte Licht ist weitaus schwächer als das durch die Kernfusion der Sonne emittierte Licht und wir können keinerlei Änderungen in der Helligkeit der Sonne beobachten. Die Existenz Schwarzer Löcher wird auch die Rate der Kernfusion in der Sonne verändern, aber die Veränderung ist sehr, sehr gering. Auf unserem derzeitigen Beobachtungsniveau (einschließlich helioseismischer und Neutrinobeobachtungen) können wir nicht zwischen einer normalen Sonne und einer Sonne unterscheiden, die ein Mini-Schwarzes Loch enthält (mit einer Masse von weniger als 10 hoch 26 Gramm, was in etwa der Masse des Mondes entspricht).

Wenn die Sonne als Hawking-Stern geboren wurde, würde sie sich wie ein normaler Stern entwickeln? Mithilfe numerischer Simulationen können Astronomen versuchen, Fragen wie diese zu beantworten. Während das Schwarze Loch Materie von der Sonne ansammelt, wächst es allmählich und die durch die Ansammlung erzeugte Leuchtkraft wird immer höher. Wenn die Masse des Schwarzen Lochs auf 10 hoch 29 Gramm anwächst (entspricht ungefähr der Masse des Neptuns), übersteigt die Leuchtkraft der Akkretion des Schwarzen Lochs die Leuchtkraft der Kernfusion. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich die Sonne auszudehnen und die gesamte Sonne wird zu einer Konvektionszone.

Darüber hinaus wird sich auch der Kernbereich von Hawkings Stern ausdehnen, wodurch seine Dichte abnimmt und es sogar nicht mehr zur Kernfusion kommt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie der gesamten Sonne von der Akkretion des Schwarzen Lochs dominiert. Zu diesem Zeitpunkt hat die Sonne die Hauptreihe verlassen, was als Nachhauptreihe bezeichnet wird. Zu dieser Zeit ist die Sonne kühler und röter als ein normaler Roter Riese. Die Sonne wird sich für die nächsten Hunderte von Millionen bis Milliarden von Jahren in der Nachhauptreihe befinden und langsam vom Schwarzen Loch verschlungen werden.

Wir alle wissen, dass sich die Sonne in ihren späteren Jahren schnell ausdehnen wird, innerhalb von Hunderten von Millionen Jahren zu einem roten Riesen wird und sogar die Erde verschlucken wird. Allerdings ist die Ausdehnung Hawkings in der Nachhauptreihe sehr gering und wird höchstens das Vier- bis Fünffache des aktuellen Sonnendurchmessers erreichen. Die Erde wird in der Nach-Hauptreihe offensichtlich nicht von Hawking verschluckt, aber sie wird dennoch versengt, und die Temperatur der Erde könnte zu diesem Zeitpunkt bis zu 250 Grad Celsius betragen .

Wenn die Anfangsmasse des Schwarzen Lochs 10 hoch 21 Gramm beträgt (das entspricht etwa einem Asteroiden mit einem Durchmesser von 100 Kilometern), dann wird sich die Sonne über mehr als 10 Milliarden Jahre hinweg genau wie ein normaler Stern entwickeln. Erst in den letzten paar hundert Millionen Jahren, wenn die Masse des Schwarzen Lochs 10 hoch 29 Gramm überschreitet, tritt es in die Nachhauptreihenphase ein, die sich deutlich vom normalen Stadium des Roten Riesen unterscheidet. Wenn sich die anfängliche Masse des Schwarzen Lochs jedoch verzehnfacht (10 hoch 22 Gramm), tritt die Sonne in 7 Milliarden Jahren in die Nachhauptreihe ein. Bei einer weiteren Verzehnfachung (10 hoch 23 Potenz Gramm) tritt die Sonne in 2,5 Milliarden Jahren in die Nachhauptreihe ein. Wir wissen immer noch nicht, wie sich Hawkings Planet nach der Postprime-Periode entwickelt hat, und die Astronomen müssen weitere Forschungen durchführen.

04So finden Sie Hawkings Stern

Nach Schätzungen der Astronomen ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonne ein kleines primordiales Schwarzes Loch einfängt, sehr gering. Wenn kleine primordiale Schwarze Löcher häufig vorkommen, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Hawkings Sterne unter den Hunderten von Milliarden Sternen in der Milchstraße existieren. Wie also entdecken wir sie?

Abbildung 2: Die Milchstraße ist voller Sterne. (Bild von der ESA)

Obwohl ihr Aussehen und ihre Helligkeit denen gewöhnlicher Sterne ähneln, ist der gesamte Stern aufgrund der intensiveren inneren Konvektion, insbesondere in der Zeit nach der Hauptreihe, vollständig konvektiv, wodurch das Helium im Zentrum an die Oberfläche befördert wird. Daher ist die Heliumhäufigkeit auf seiner Oberfläche viel höher als bei gewöhnlichen Sternen. Allerdings ist die Temperatur von Hawking-Sternen im Verhältnis zur Masse der Sonne relativ niedrig und die Helium-Spektrallinien sind sehr schwach, was es schwierig macht, den Heliumgehalt durch Spektralmessungen zu ermitteln.

Allerdings können auch asteroseismische Messungen dazu verwendet werden, die innere Struktur und das Schwingungsmuster des Sterns zu ermitteln . Aufgrund der vollständigen Konvektion unterscheidet sich das Schwingungsmuster von Hawkings Stern von dem gewöhnlicher Sterne. Daher ist die asteroseismische Forschung ein wichtiges Mittel zur Identifizierung von Hawkings Stern. Der Satellit Gaia hat 1 Milliarde Sterne in der Milchstraße beobachtet. Die zukünftig veröffentlichten Daten können auch zur Erforschung der Asteroseismologie verwendet werden. Die Satelliten Kepler und TESS sowie die zukünftigen Satelliten PLATO und Roman können alle Daten für die Asteroseismologie-Forschung liefern. Vielleicht enthalten die Ergebnisse ihrer Asteroseismologie-Daten Hinweise auf die Existenz von Hawkings Stern, der nur darauf wartet, von Astronomen gesucht zu werden. Warten wir es ab!

Quellen:

https://arxiv.org/pdf/2312.07647.pdf

https://arxiv.org/abs/2312.06782

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1971MNRAS.152...75H/abstract

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0e76

Autor: Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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