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Eine Illustration eines supermassiven schwarzen Lochs im frühen Kosmos (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Astronomen haben einen von einem supermassiven schwarzen Loch angetriebenen Quasar entdeckt, der möglicherweise dazu beigetragen hat, dass im frühen Universum „das Licht angegangen ist“

Das intensive Aufhellen und Abdunkeln dieses Quasars wurde vom NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope ARray) Röntgen-Weltraumteleskop der NASA beobachtet. Die Beobachtungen von NuSTAR wurden dann mit den Daten des Chandra-Röntgenteleskops der NASA über dasselbe supermassereiche schwarze Loch abgeglichen.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen zu erklären, wie das „dunkle Zeitalter“ des frühen Universums zu Ende ging und wie Schwarze Löcher vor so langer Zeit schnell zu Massen anwuchsen, die Millionen oder Milliarden von Sonnen entsprechen.

Die Theorie besagt, dass supermassereiche schwarze Löcher durch eine Kette von Verschmelzungen mit kleineren schwarzen Löchern und durch den Verzehr großer Mengen an Gas und Staub so groß werden. Das Problem dabei ist, dass dieser Prozess mindestens eine Milliarde Jahre dauern soll. Das bedeutet, dass supermassereiche Schwarze Löcher, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existieren, eine Herausforderung darstellen, die die Astronomen unbedingt lösen möchten.

Der neu untersuchte Quasar mit der Bezeichnung CFHQS J142952+54471 (J1429+5447) ist so weit entfernt, dass sein Licht seit fast 13 Milliarden Jahren zur Erde unterwegs ist, womit er sich genau am Ende dieses schwierigen Zeitraums befindet.

„In dieser Arbeit haben wir entdeckt, dass es sich bei diesem Quasar sehr wahrscheinlich um ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einem auf die Erde gerichteten Jet handelt – und wir sehen es in den ersten Milliarden Jahren des Universums“, sagte die Leiterin des Studienteams, Lea Marcotulli, eine Forscherin an der Yale University, in einer Erklärung.

Dieser Zeitrahmen bedeutet, dass dieses supermassive Schwarze Loch, dessen Masse auf das 200-Millionenfache der Sonnenmasse geschätzt wird, in einer entscheidenden kosmischen Periode existierte, die als „Epoche der Reionisation“ bekannt ist.

Es werde Licht…

Das kosmische Dunkelzeitalter war eine Periode, die bis etwa 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte.

Als das Universum etwa 380.000 Jahre alt war, hatte es sich so weit abgekühlt, dass sich Elektronen und Protonen zu Atomen zusammenschließen konnten. Das Verschwinden der freien Elektronen bedeutete, dass die Photonen, die Grundteilchen des Lichts, nicht mehr endlos umhergeschleudert wurden und tatsächlich große Entfernungen zurücklegen konnten.

Mit anderen Worten: Der Kosmos wurde plötzlich undurchsichtig und transparent. Ein fossiles Überbleibsel dieses „ersten Lichts“ existiert heute in Form des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB).

Als das Universum jedoch weiter abkühlte, bildeten sich mehr neutrale Wasserstoffatome und begannen, massenhaft Photonen zu absorbieren. Dies führte dazu, dass das Universum wieder dunkel wurde und das kosmische Dunkelzeitalter begann.

Diese Zeitleiste fasst die Entwicklung des Universums zusammen, mit dem Urknall links und etwa 2 Milliarden Jahre nach der Existenz des Universums rechts. Während der Reionisierung lichtete die von den ersten Sternen und schwarzen Löchern ausgehende Strahlung den Schleier aus neutralem Wasserstoff. (Bildnachweis: NASA/CXC/M. Weiss)

Die Epoche der Reionisation beschreibt den Zeitraum von 680 Millionen Jahren bis 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall, in dem das hochenergetische Licht begann, die Elektronen von den Wasserstoffionen abzustreifen, so dass sich das Licht wieder frei bewegen konnte.

Obwohl man annimmt, dass das ultraviolette Licht der ersten Sterne der Schlüssel zum Reionisierungsprozess war, vermuten Wissenschaftler seit langem, dass auch andere Quellen hochenergetischen Lichts am Werk waren.

Das ist der Punkt, an dem die frühen Quasare ins Spiel kommen.

„Die Epoche der Reionisation wird als das Ende des dunklen Zeitalters des Universums angesehen“, sagt Thomas Connor, Mitglied des Studienteams und Wissenschaftler am Chandra X-Ray Center. „Der genaue Zeitrahmen und die Quellenklasse, die für die Reionisation verantwortlich ist, werden immer noch diskutiert, und aktiv akkretierende supermassereiche schwarze Löcher sind ein vorgeschlagener Schuldiger.“

Quasare lichten den frühen kosmischen Nebel

Quasare sind dort zu sehen, wo supermassereiche Schwarze Löcher die Materie um sie herum auffressen.

Diese supermassereichen Schwarzen Löcher erzeugen eine enorme Reibung in den abgeflachten Materialwolken, den so genannten Akkretionsscheiben, die sie nach und nach ernähren. Darüber hinaus wird Materie, die dem Schwarzen Loch nicht zugeführt wird, zu seinen Polen gelenkt, von wo aus sie in Form von Strahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit hinausgeschleudert wird.

Dadurch sind Quasare wie J1429+5447 im gesamten elektromagnetischen Spektrum oft heller als das Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien zusammen.

Somit sind sie nicht nur die idealen Quellen, um das Ende des kosmischen dunklen Zeitalters zu erforschen, sondern sie sind auch die Hauptverdächtigen bei der Suche nach dem so wichtigen universellen Phasenwechsel, der möglicherweise die Energie zur Ionisierung von neutralem Wasserstoff liefert.

Connor und Kollegen verglichen Beobachtungen von J1429+5447, die mit NuSTAR gemacht wurden, mit Beobachtungen desselben Quasars, die mit Chandra durchgeführt wurden.

Eine Illustration zeigt, wie Chandra (oben rechts) und NuSTAR (unten links) denselben Quasar mit einem supermassiven schwarzen Loch beobachten. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die Forscher fanden heraus, dass sich die Röntgenemissionen von J1429+5447 innerhalb von vier Monaten verdoppelt haben. Während dies in einem 165,6 Milliarden Monate alten Universum bereits eine unglaublich kurze Zeitspanne ist, bedeutet der zeitverzerrende Effekt der Relativitätstheorie, dass die viermonatigen Veränderungen für diesen Quasar auf nur zwei Wochen für dieses frühe supermassive schwarze Loch komprimiert wurden.

„Da sich der Jet fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, beschleunigen und verstärken die Effekte von Einsteins spezieller Relativitätstheorie die Variabilität“, erklärt Meg Urry von der Fakultät für Kunst und Wissenschaften in Yale, Mitglied des Teams. „Dieses Ausmaß an Röntgenvariabilität in Bezug auf Intensität und Schnelligkeit ist extrem. Sie wird mit ziemlicher Sicherheit durch einen Jet erklärt, der auf uns gerichtet ist – ein Kegel, in dem Teilchen bis zu einer Million Lichtjahre vom zentralen, supermassereichen Schwarzen Loch entfernt transportiert werden.“

Diese Beobachtung könnte den Wissenschaftlern nicht nur helfen, die Geheimnisse der Reionisation zu entschlüsseln, sondern sie könnte auch der Schlüssel sein, um weitere frühe supermassereiche schwarze Löcher zu entdecken und herauszufinden, wie sie so groß wurden.

„Die Entdeckung weiterer supermassereicher Schwarzer Löcher, die möglicherweise Jets beherbergen, wirft die Frage auf, wie diese Schwarzen Löcher in so kurzer Zeit so groß geworden sind und welche Verbindung es zu den Jet-auslösenden Mechanismen gibt“, so Marcotulli abschließend.

Das Team stellte seine Arbeit am Dienstag (14. Januar) auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland, vor. Ihre Studie wurde am selben Tag in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.