Haiman Group

Schwarzer Löcher: Astrophysik und Kosmologie

In den letzten Jahrzehnten wurde deutlich, dass die meisten Galaxien in ihrem Kern ein massives Schwarzes Loch mit einer Masse von einer Million bis zu einer Milliarde Sonnenmassen haben. Die energiereiche Strahlung und die Materiejets, die von diesen schwarzen Löchern ausgehen, spielen eine bedeutende Rolle bei der Gestaltung von Galaxien im Laufe kosmischer Zeiträume. Ihr Ursprung ist nach wie vor nicht bekannt. Beobachtungen haben gezeigt, dass diese massiven schwarzen Löcher bereits in frühen Zeiten existierten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Das heißt, sie sind möglicherweise älter als die Galaxien.
Außerdem wissen wir, dass Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit durch eine Reihe von Verschmelzungen entstehen – von kleinen, frühen Protogalaxien mit vielleicht einer Million Sonnenmassen bis hin zu den heutigen Galaxien mit mehreren Billionen Sonnenmassen. Es wird erwartet, dass auch die massereichen schwarzen Löcher in den Galaxienkernen verschmelzen und dabei zahlreiche Gravitationswellen erzeugen. Genau diese Verschmelzungen massereicher schwarzer Löcher sind die Hauptziele künftige weltraumgestützte Niederfrequenz-Gravitationswellendetektoren. Ein Beispiel dafür ist das Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Projekt der Europäischen Weltraumorganisation, dessen Start für die 2030er Jahre geplant ist.
Galaxien und ihre schwarzen Löcher entstehen und entwickeln sich in einem expandierenden Hintergrunduniversum, dessen Expansion sich in letzter Zeit beschleunigt hat. Diese allgemeine kosmische Beschleunigung kann mehrere Ursachen haben. Zum einen könnte sie auf eine bislang unbekannte Komponente des Universums, die sogenannte „dunkle Energie“, zurückzuführen sein. Zum anderen könnte sie durch die endliche Energiedichte des Quantenvakuums oder sogar durch unser mangelndes Verständnis der Gravitation, die in kosmischen Maßstäben von der Einsteinschen Theorie abweicht, erklärt werden.
Diese verschiedenen Erklärungen führen zu subtilen Unterschieden in der Art und Weise, wie sich das durchschnittliche Universum im Laufe der letzten Milliarden Jahre entwickelt hat. Aber auch zu den Arten von Strukturen, die sich gebildet haben, und der Geschwindigkeit, mit der diese Strukturen nichtlinear gewachsen sind. Diese Unterschiede lassen sich statistisch durch Gravitationslinsen erkennen, ein Phänomen der allgemeinen Relativitätstheorie, das die scheinbaren Formen von Galaxien verzerrt – bekannt als schwache Gravitationslinse.
Die Gruppe von Professor Haiman untersucht Fragen im Zusammenhang mit den oben genannten Phänomenen durch semi-analytische Ansätze, numerische Simulationen und die Interpretation von Beobachtungen.
Wie und wann haben sich die ersten Objekte (einschließlich Sterne und Schwarze Löcher) im Universum gebildet, und welche Auswirkungen hatten sie auf den Rest des Universums? Tragen Verschmelzungen wesentlich zum Wachstum von Schwarzen Löchern bei, und wie entwickeln sich solche Verschmelzungen in galaktischen Kernen in Gegenwart von Sternen und Gas? Wie können wir die Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung gemeinsam nutzen, um diese Fragen zu beantworten?
Ein vielversprechendes kosmologisches Instrument ist das „schwache Lensing“. Sein volles Potenzial muss erst noch ausgeschöpft werden. Die Gruppe von Prof. Haiman hat neue statistische Ansätze entwickelt. So nutzen sie maschinelles Lernen, um Lensing-Daten aus bevorstehenden großen Untersuchungen zu analysieren, die Messungen der Strukturen von bis zu Milliarden von Galaxien umfassen werden.