Das kosmische Henne-Ei-Dilemma: Waren die Sterne oder die schwarzen Löcher zuerst da?

Wir leben in Situationen, in denen dieses Dilemma auftritt: Was war zuerst da, das Huhn oder das Ei? Hier befasse ich mich mit einem sehr aktuellen Dilemma aus der Astrophysik, das die Prozesse der Galaxienentstehung betrifft. Wir werden darauf näher eingehen. Wir stellen das Problem anhand telegraphischer Konzepte dar, die wir bereits besprochen haben, und laden den Leser ein, weitere Artikel in diesem Abschnitt zu lesen.

Galaxien gab es nicht immer. Es gab eine Zeit vor fast 13 Milliarden Jahren, als es keine Sterne gab, sondern nur eine Suppe aus Materie, Licht und dunkler Energie . Ein nicht-statisches Universum gefiel Einstein nicht, doch seine eigenen Gleichungen – in den Händen von Lemaître, Leavitt und Hubble – widerlegten seine Annahme.

Galaxien sterben. Galaxien wie unsere eigene, diese wunderschönen Spiral- und Ellipsengalaxien in unserer Nähe, sterben – oder sind bereits fast tot. Vergleichen Sie einfach, wie viele Sterne heute entstehen und wie viele sie beherbergen. Die Rechnung geht nicht auf : Bei der aktuellen Rate würde die Milchstraße mehrere Lebenszeiten brauchen, um die Sterne zu bilden, die sie bereits hat. Daher müssen Galaxien in der Vergangenheit viel aktiver in der Sternentstehung gewesen sein, was wir durch die Untersuchung des Universums bestätigt haben, als es etwa halb so alt war wie heute.

Etwas stoppt die Sternentstehung. Da nur ein kleiner Prozentsatz des vorhandenen Materials – hauptsächlich Wasserstoff – zu Sternen wird, muss etwas diesen Prozess aufhalten. Schuld daran ist, so die am weitesten verbreitete Theorie unter Astrophysikern, das supermassereiche Schwarze Loch im Kern aller Galaxien. Diese supermassereichen Schwarzen Löcher haben typischerweise eine Masse von einem Tausendstel der Sternmasse ihrer Wirtsgalaxie, haben aber dennoch einen außergewöhnlichen Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos.

Diese Theorie besagt, dass irgendwann im frühen Universum, vielleicht 100 oder 200 Millionen Jahre nach dem Urknall – wir wissen immer noch nicht genau wann – die ersten Sterne zu entstehen begannen, als das ursprüngliche Gas (hauptsächlich Wasserstoff, aber auch etwas Helium und sehr geringe Mengen anderer Elemente wie Lithium ) kondensierte. Und so entstanden die ersten Galaxien, in denen irgendwie supermassereiche Schwarze Löcher erschienen und wuchsen. Durch Prozesse, die wir negative Rückkopplung nennen, verhinderten diese supermassereichen Schwarzen Löcher schließlich, dass das Gas weiterhin die richtigen Eigenschaften zur Bildung von Sternen hatte, weil die von den Schwarzen Löchern freigesetzte Energie verhinderte, dass das Gas zu Galaxien kondensierte. Wir hätten also einen Prozess der Sternentstehung, dann die Bildung eines supermassereichen Schwarzen Lochs und schließlich würde dies die Sternentstehung stoppen.

Doch das JWST- Weltraumteleskop ändert diese vielleicht sehr naive Sichtweise. Wir entdecken eine Vielzahl sehr weit entfernter Galaxien – das heißt Galaxien, die existierten, als das Universum noch sehr jung war –, die bereits supermassereiche Schwarze Löcher besaßen. Und sie waren sehr, sehr groß, als das Universum weniger als 10 % seines heutigen Alters hatte! Sogar unter den beispielsweise zehn am weitesten entfernten Galaxien, die wir kennen und deren Entfernung vollständig bestätigt ist, könnte die Hälfte Schwarze Löcher besitzen, die so massereich sind wie die Milchstraße selbst – etwa eine Million Sonnen oder sogar noch größer. Sie sind so groß, dass ihre Masse größer sein könnte als die sternähnliche Masse der Wirtsgalaxien in diesem jungen Universum. Beachten Sie das Konditionalverb: Wir überprüfen unsere Berechnungen noch. Darüber hinaus haben wir nur wenig später, in den ersten 15 % der Geschichte des Universums, Objekte entdeckt, die sogar noch größere Massen besitzen könnten: die sogenannten kleinen roten Punkte . Es ist sehr schwer zu erklären, wie sich so große Schwarze Löcher in so kurzer Zeit und in Galaxien mit so wenigen Sternen bilden konnten.

Und hier kommt das Henne-Ei-Dilemma. War der Prozess tatsächlich so, dass sich Sterne bildeten, dann Schwarze Löcher entstanden, dann Schwarze Löcher wuchsen und schließlich Schwarze Löcher die Sternentstehung einstellten? Oder gab es vielleicht Schwarze Löcher vor den ersten Sternen, dann begannen sich Sonnen zu bilden, dann Schwarze Löcher wuchsen und schließlich starben Galaxien? Nennen wir Schwarze Löcher das Ei und Sterne das Huhn, oder umgekehrt.

Die Frage ist nicht trivial. Gab es supermassereiche Schwarze Löcher vor den Sternen, begünstigten sie vielleicht zunächst die Entstehung von Sonnen, nur um dann genau das Gegenteil zu bewirken und die Entstehung weiterer Sonnen zu verhindern. Gab es Schwarze Löcher bereits, kann ihr Ursprung nicht stellar sein, und genau dafür gibt es zahlreiche Daten; wir wissen, welche Sterne Schwarze Löcher bilden (aber winzige im Vergleich zu diesen supermassereichen). Was also geschah? Waren sie schon immer da? Entstanden sie durch einen Prozess, der bisher nicht beobachtet und vielleicht völlig unbekannt oder bekannt, aber unbewiesen war?

Das Henne-Ei-Dilemma ist nicht neu. Aristoteles scheint sich bereits damit befasst zu haben, als er nach Ursachen und Wirkungen suchte und den ersten unbewegten Beweger suchte. Alle Hühner kommen aus Eiern, und alle Eier bringen Hühner hervor. Das eine ohne das andere und umgekehrt scheint nicht möglich, wenn man von den Abhandlungen über die Evolution der Arten einmal absieht (ja, es gab Eier vor Hühnern). Es gibt eine unendliche Abfolge, und Aristoteles schlussfolgerte, dass es keinen Ursprung gibt; nichts kann in dieser Abfolge zuerst kommen. Wenn nichts zuerst kommen kann, stellen wir das Konzept der Zeit in Frage. Tatsächlich scheint sich Plutarch, während er über dasselbe Problem nachdachte, gefragt zu haben, ob die Welt einen Anfang hatte. Und von dort aus können wir uns der Schöpfung zuwenden und in die Theologie einsteigen. Das ist weder mein Fachgebiet noch das Fachgebiet dieses Abschnitts.

„Kosmische Leere“ ist eine Rubrik, die unser Wissen über das Universum in qualitativer und quantitativer Hinsicht darstellt. Sie zielt darauf ab, die Bedeutung des Verständnisses des Kosmos nicht nur aus wissenschaftlicher, sondern auch aus philosophischer, sozialer und wirtschaftlicher Sicht zu erklären. Der Name „kosmische Leere“ bezieht sich auf die Tatsache, dass das Universum leer ist und größtenteils leer ist, mit weniger als einem Atom pro Kubikmeter, obwohl es in unserer Umgebung paradoxerweise Trillionen Atome pro Kubikmeter gibt, was zum Nachdenken über unsere Existenz und die Präsenz von Leben im Universum anregt. Die Rubrik besteht aus Pablo G. Pérez González , Forscher am Zentrum für Astrobiologie, und Eva Villaver , stellvertretende Direktorin des Instituto de Astrofísica de Canarias.