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Sternkollisionen waren im jungen Universum viel häufiger als heute
Kosmische Zusammenstöße: Im jungen Universum könnten Sterne in extrem dicht gepackten Haufen viel häufiger kollidiert sein als heute. Ein neues Modell zeigt, wie wiederholte Verschmelzungen gigantische Sterne und damit mögliche Keime früher Schwarzer Löcher hervorbringen. Zugleich könnte der Mechanismus helfen, die rätselhaften „Little Red Dots“ des James-Webb-Weltraumteleskops zu erklären.
Los Angeles (U.S.A.). Supermassereiche Schwarze Löcher stellen Astronomen vor ein Zeitproblem: Schon im jungen Kosmos gab es Exemplare von gewaltiger Masse, obwohl für ihr allmähliches Wachstum nur wenig Zeit blieb. Offen ist deshalb, wie massereich ihre ersten Vorläufer waren und auf welchem Weg sie entstanden.
Eine mögliche Abkürzung sind Kollisionen von Sternen. Im heutigen Universum kommen sie nur in besonders dicht besetzten Regionen vor, etwa nahe dem Zentrum unserer Milchstraße. In der kosmischen Frühzeit aber könnten solche engen Sternansammlungen wesentlich verbreiteter gewesen sein.
Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) um Claire E. Williams haben nun untersucht, was in diesen Sternhaufen geschehen könnte. Dazu entwickelten sie ein analytisches Modell, dessen Ausgangsbedingungen sich an hochauflösenden kosmologischen Simulationen und Beobachtungen früher Sternsysteme orientieren. Ausgewählte Modellfälle überprüften sie zusätzlich mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen, in denen die Bahnen einzelner Sterne statistisch verfolgt werden.
Die Berechnungen umfassen kompakte Systeme aus der Ära, als das Universum erst einige hundert Millionen bis gut eine Milliarde Jahre alt war. Das Ergebnis: In zahlreichen sehr dichten Haufen können Sterne oft genug zusammenstoßen, um ihre Entwicklung grundlegend zu verändern. Ohne bereits vorhandenes massereiches Schwarzes Loch führen die Zusammenstöße im Modell überwiegend zu Verschmelzungen.
Die entstandenen größeren Sterne sinken durch gravitative Wechselwirkungen in das Zentrum des Haufens. Dort steigt ihre Chance auf weitere Kollisionen. In besonders extremen Modellfällen kann so ein Stern mit mehr als 100.000 Sonnenmassen entstehen, wobei die erreichbare Masse stark von Dichte und Sternverteilung abhängt.
„Das vielleicht seltsamste Ergebnis unserer Simulationen ist, dass Sterne innerhalb des Haufens wiederholt miteinander verschmelzen können, bis ein einziger gigantischer Stern entsteht, dessen Masse der eines ganzen Sternhaufens entspricht. Wenn ein so gewaltiger Stern das Ende seines Lebens erreicht, legen Modelle nahe, dass ihm womöglich nichts anderes übrig bleibt, als in sich zusammenzustürzen und ein massereiches Schwarzes Loch zu bilden“, erklärt Claire E. Williams.
Ein solcher Kollaps wäre ein möglicher Ausgangspunkt für das frühe Wachstum massereicher Schwarzer Löcher. Die Forscher haben das Entstehen dieser Schwarzen Löcher allerdings nicht direkt simuliert, sondern aus den errechneten Sternmassen und Annahmen über deren weiteres Schicksal abgeleitet. Auch entstehen die Giganten nicht unter allen Bedingungen: Besonders massereiche, kurzlebige Ausgangssterne können den Verschmelzungsprozess früh beenden.
Anders sieht die Situation aus, wenn bereits ein massereiches Schwarzes Loch im Zentrum des Sternhaufens sitzt. Dessen Schwerkraft treibt die Geschwindigkeiten naher Sterne so stark in die Höhe, dass Zusammenstöße sie eher zerreißen als miteinander verschmelzen lassen. Dabei wird Sternmaterie freigesetzt, die sich nach den Modellrechnungen in der Umgebung des Schwarzen Lochs ansammeln kann.
Diese Gashülle wäre nicht nur eine mögliche Quelle für weiteres Wachstum. Sie könnte auch verändern, wie das Schwarze Loch und seine Umgebung aus großer Entfernung erscheinen. Ob das Gas tatsächlich auf das Schwarze Loch fällt, wurde in der Studie jedoch nicht vollständig modelliert.