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Illustration zeigt die helle aktive Region des Quasars J1120+0641 mit einem supermassiven schwarzen Loch in einem „ultraeffektiven Fütterungsmodus“ (Bildnachweis: T. Müller / MPIA)

Mit dem James Webb Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen ein supermassereiches Schwarzes Loch in der „kosmischen Morgendämmerung“ entdeckt, das scheinbar unvorstellbar massiv ist. Die Verwirrung rührt daher, dass es nicht so aussieht, als ob dieses gigantische Loch in dieser Zeit viel Materie in seiner Umgebung gefressen hätte – aber um seine immense Größe zu erreichen, müsste es schon zu Beginn der Zeit gefräßig gewesen sein.

Das gefräßige supermassive schwarze Loch, das einen Quasar im Herzen der Galaxie J1120+0641 antreibt, wurde so gesehen, wie es war, als das Universum nur etwa 5% seines heutigen Alters hatte. Außerdem hat es eine Masse, die mehr als eine Milliarde Mal so groß ist wie die der Sonne.

Während es relativ einfach zu erklären ist, wie nähere und damit jüngere supermassereiche Schwarze Löcher auf Milliarden von Sonnenmassen angewachsen sind, dürften die Verschmelzungs- und Fütterungsprozesse, die ein solches Wachstum ermöglichen, etwa eine Milliarde Jahre dauern. Das bedeutet, dass die Suche nach solchen supermassiven schwarzen Löchern, die bereits existierten, bevor das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum eine Milliarde Jahre alt war, ein echtes Dilemma darstellt.

Seit seiner Inbetriebnahme im Sommer 2022 hat sich das JWST als besonders effizient erwiesen, wenn es darum geht, solche schwierigen schwarzen Löcher in der kosmischen Morgendämmerung aufzuspüren.

Eine Theorie über das frühe Wachstum dieser Hohlräume besagt, dass sie in einen Fressrausch verwickelt waren, der als „ultraeffektiver Fressmodus“ bezeichnet wird. Die JWST-Beobachtungen des supermassiven Schwarzen Lochs in J1120+0641 zeigten jedoch keinen besonders effizienten Fütterungsmechanismus in dem Material in seiner unmittelbaren Umgebung. Dieser Befund lässt Zweifel am ultraschnellen Fütterungsmechanismus für supermassive schwarze Löcher aufkommen und bedeutet, dass die Wissenschaftler möglicherweise noch weniger über die frühe Entwicklung des Kosmos wissen, als ihnen bewusst war.

„Insgesamt tragen die neuen Beobachtungen nur zum Rätsel bei: Frühe Quasare waren schockierend normal“, sagte die Teamleiterin und Postdoc-Forscherin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) Sarah Bosman in einer Erklärung. „Unabhängig davon, in welchen Wellenlängen wir sie beobachten, sind Quasare in allen Epochen des Universums nahezu identisch.“

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Ein Zeitstrahl des Universums. Die Entdeckung supermassereicher schwarzer Löcher Milliarden Jahre nach dem Urknall wird erwartet, aber die Entdeckung zum Zeitpunkt der Entstehung der ersten Sterne ist eher überraschend. (Bildnachweis: ESA)

Supermassive Schwarze Löcher kontrollieren ihren eigenen Speiseplan

In den letzten 13,8 Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte haben Galaxien an Größe gewonnen, indem sie Masse entweder durch die Aufnahme von Gas und Staub aus der Umgebung, durch das Ausschlachten kleinerer Galaxien oder durch die Verschmelzung mit größeren Galaxien gewonnen haben.

Vor etwa 20 Jahren, bevor das JWST und andere Teleskope begannen, beunruhigende supermassive Schwarze Löcher im frühen Universum zu finden, waren Astronomen davon ausgegangen, dass die supermassiven Schwarzen Löcher in den Herzen der Galaxien allmählich im Gleichschritt mit den Prozessen, die zum galaktischen Wachstum führten, wachsen.

Tatsächlich gibt es Grenzen, wie schnell ein Schwarzes Loch wachsen kann – Grenzen, die diese kosmischen Titanen selbst mitbestimmen.

Aufgrund der Drehimpulserhaltung kann Materie nicht direkt in ein Schwarzes Loch fallen. Stattdessen bildet sich um das Schwarze Loch eine abgeflachte Materiewolke, die so genannte Akkretionsscheibe. Die enorme Schwerkraft des zentralen Schwarzen Lochs führt zu starken Gezeitenkräften, die in der Akkretionsscheibe turbulente Bedingungen schaffen, sie aufheizen und sie dazu veranlassen, Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum auszusenden. Diese Emissionen sind so hell, dass sie oft das Licht aller Sterne in der umgebenden Galaxie überstrahlen. Die Regionen, in denen all dies geschieht, werden Quasare genannt, und sie gehören zu den hellsten Himmelsobjekten.

Diese Helligkeit hat noch eine weitere Funktion. Obwohl Licht keine Masse hat, übt es doch Druck aus. Das bedeutet, dass das von Quasaren ausgestrahlte Licht Druck auf die umgebende Materie ausübt. Je schneller sich das Schwarze Loch, das den Quasar antreibt, ernährt, desto größer ist der Strahlungsdruck und desto wahrscheinlicher ist es, dass das Schwarze Loch seine eigene Nahrungsquelle abschneidet und aufhört zu wachsen. Der Punkt, an dem Schwarze Löcher oder andere Akkretoren sich selbst aushungern, indem sie die umgebende Materie wegdrücken, wird als „Eddington-Grenze“ bezeichnet.

Das bedeutet, dass supermassive schwarze Löcher sich nicht einfach ernähren und so schnell wachsen können, wie sie wollen. Daher ist es ein echtes Problem, supermassive schwarze Löcher mit einer Masse von 10 Milliarden Sonnen im frühen Kosmos zu finden, insbesondere weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.

Eine Illustration zeigt ein fütterndes supermassives schwarzes Loch. Wie konnten frühe Beispiele dieser Objekte so schnell nach dem Urknall so groß werden? (Bildnachweis: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

Astronomen müssen mehr über frühe Quasare wissen, um festzustellen, ob frühe supermassereiche schwarze Löcher in der Lage waren, die Eddington-Grenze zu überwinden und zu so genannten „Super-Eddington-Akkumulatoren“ zu werden.

Um dies herauszufinden, konzentrierte sich das Team im Januar 2023 mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST auf den Quasar im Herzen von J1120+0641, der 13 Milliarden Lichtjahre entfernt ist und nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen war. Die Untersuchung ist die erste Studie eines Quasars im mittleren Infrarotbereich, der bereits zu Beginn des Universums existierte.

Das Lichtspektrum dieses frühen supermassereichen Schwarzen Lochs enthüllte die Eigenschaften des großen, ringförmigen „Torus“ aus Gas und Staub, der die Akkretionsscheibe umgibt. Dieser Torus trägt dazu bei, die Materie zur Akkretionsscheibe zu leiten, von wo aus sie allmählich dem supermassereichen Schwarzen Loch zugeführt wird.

MIRI-Beobachtungen dieses Quasars zeigten, dass die kosmische Versorgungskette ähnlich funktioniert wie bei „modernen“ Quasaren, die näher an der Erde liegen und daher in späteren Epochen des Universums existieren. Das ist eine schlechte Nachricht für die Befürworter der Theorie, dass ein verbesserter Fütterungsmechanismus zum schnellen Wachstum der frühen Schwarzen Löcher geführt hat.

Außerdem stimmten die Messungen der Region um das supermassive schwarze Loch, in der die Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit wirbelt, mit den Beobachtungen der gleichen Regionen moderner Quasare überein.

Die JWST-Beobachtungen dieses Quasars enthüllten einen wesentlichen Unterschied zwischen ihm und seinen modernen Gegenstücken. Der Staub im Torus um die Akkretionsscheibe hatte eine Temperatur von etwa 1.130 Grad Celsius (2.060 Grad Fahrenheit), was etwa 100 Grad heißer ist als die Staubringe um Quasare mit supermassiven schwarzen Löchern, die näher an der Erde liegen.

Die Forschungsergebnisse sprechen für eine andere Methode des frühen Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher, die darauf hindeutet, dass diese kosmischen Titanen einen Vorsprung im frühen Universum hatten und sich aus bereits massereichen „Samen“ Schwarzer Löcher bildeten. Diese schweren Samen hätten eine Masse von mindestens dem Hunderttausendfachen der Sonne gehabt und wären direkt durch den Kollaps früher und massereicher Gaswolken entstanden.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 17. Juni in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.