(Bildnachweis: NASA/ESA/M. Hayes (Universität Stockholm)/J. DePasquale (STScI))
Eine Vielzahl supermassereicher schwarzer Löcher, die das Universum während des kosmischen dunklen Zeitalters bevölkerten, scheint die Schätzungen für die Anzahl der schwarzen Löcher mit einer Milliarde Sonnenmassen, die damals existiert haben sollten, drastisch zu übertreffen. Dieser überraschende Befund ist das Ergebnis einer 14-jährigen Studie, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop durchgeführt wurde.
Das Studienteam unter der Leitung von Matthew Hayes von der Universität Stockholm suchte nach diesen frühen supermassereichen schwarzen Löchern, indem es das Hubble Ultra Deep Field nach schwachen Objekten durchsuchte, die eine variable Helligkeit aufzuweisen scheinen.
Das Hubble Ultra Deep Field bietet einen extrem tiefen Einblick in einen winzigen Bereich des Nachthimmels – 3,1 Quadratbogenminuten, um genau zu sein. Es enthält etwa 10.000 Galaxien aus den verschiedensten Epochen der kosmischen Geschichte, wobei die schwächsten bereits existierten, als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war.
Hayes‘ Gruppe untersuchte eine kleine Stichprobe des Hubble Ultra Deep Field und suchte nach Dingen, die ihre Helligkeit im Laufe der Zeit verändert haben könnten. Die Überlegung hinter diesen Kriterien ist, dass supermassereiche Schwarze Löcher sehr schnell gewachsen sein müssten, um in weniger als einer Milliarde Jahren nach dem Urknall so massiv zu werden – und um so schnell zu wachsen, müssten sie sich schnell von der Materie ernähren, die intensiv heiße und leuchtende Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher bildet. Astronomen nennen diese Objekte AGN oder aktive galaktische Kerne, und sie können den Rest ihrer Wirtsgalaxie deutlich überstrahlen.
Die Einfallrate von Materie in ein AGN ist jedoch nicht konstant. Wie bei einem Fluss kann der Fluss manchmal stark anschwellen und manchmal auf ein Rinnsal sinken. Dies kann sich wiederum auf die Helligkeit eines AGN auswirken. Das Team von Hayes suchte daher im Hubble Ultra Deep Field nach Helligkeitsänderungen, die auf einen AGN hindeuten könnten.
In ihrem kleinen Suchgebiet fanden die Forscher 71 veränderliche Quellen. Viele von ihnen sind so zu sehen, wie sie waren, als das Universum nur einige Milliarden Jahre alt war. Einige der ausgewählten Objekte stehen im Zusammenhang mit Supernovaexplosionen in einer Galaxie im Sichtfeld, aber drei der Quellen scheinen tatsächlich AGN zu sein, die vor über 12,7 Milliarden Jahren existierten, als der Kosmos weniger als eine Milliarde Jahre alt war.
Wenn man bedenkt, wie klein der beobachtete Bereich des Nachthimmels war, übersteigt die Entdeckung von drei AGN, die stark genug waren, um schwarze Löcher mit einer Milliarde Sonnenmassen in einer so frühen Epoche zu markieren, die Erwartungen bei weitem (zum Vergleich: das supermassereiche schwarze Loch in unserer Galaxie, Sagittarius A*, ist nur 4,1 Millionen Sonnenmassen groß, und es hatte über 13 Milliarden Jahre Zeit, um seine Größe zu erreichen). Die Extrapolation auf den gesamten Himmel bedeutet auch, dass solche riesigen schwarzen Löcher in dieser alten Epoche des Universums reichlich vorhanden gewesen sein müssen. Und ihre erhöhte Anzahl könnte wichtige Hinweise darauf geben, wie sie entstanden sind.
„Viele dieser Objekte scheinen massiver zu sein, als wir ursprünglich dachten, dass sie zu so frühen Zeiten sein könnten – entweder bildeten sie sich sehr massiv oder sie wuchsen extrem schnell“, sagte Alice Young von der Universität Stockholm, die Mitglied von Hayes‘ Team ist, in einer Erklärung.
Eines der supermassiven schwarzen Löcher in einer Galaxie, die in der Frühzeit des Universums entstanden ist. (Bildnachweis: NASA/ESA/M. Hayes (Universität Stockholm)/J. DePasquale (STScI))
Eines der weit entfernten AGN mit der Bezeichnung 105212 wurde zwischen 2009 und 2012 um 0,3 Magnituden heller, aber bis 2023 war es um 0,17 Magnituden verblasst. Es wurde mit einer Rotverschiebung von 6,7 gemessen, was bedeutet, dass wir es so sehen, wie es vor etwa 12,8 Milliarden Jahren existierte. Ein weiteres AGN mit der Bezeichnung 101159 hat eine ähnliche Rotverschiebung von 6,5 und war im Jahr 2009 sichtbar, aber in den Jahren 2012 und 2023 verblasst. Wir wissen jedoch, dass es ihn gibt, denn das James Webb Space Telescope (JWST) hat die Wirtsgalaxie, in der sich dieses AGN befindet, inzwischen abgebildet. Das dritte AGN mit hoher Rotverschiebung ist 1052156, das bei einer Rotverschiebung von 6,2 liegt und dessen Helligkeit sich zwischen 2009 und 2012 um 0,2 Magnituden veränderte, bevor es im Jahr 2023 außer Sichtweite geriet.
Es gibt viele Hypothesen darüber, wie supermassive schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sind. Entstanden sie unmittelbar nach dem Urknall aus mikroskopisch kleinen schwarzen Löchern, die seither immer weiter gewachsen sind? Oder erhielten sie einen Wachstumsschub, indem sie durch den direkten Kollaps einer riesigen Gaswolke entstanden, die Tausende Male massiver war als unsere Sonne?
Die von Hayes‘ Team aufgedeckte Dichte von Schwarzen Löchern mit Milliarden von Sonnenmassen im frühen Universum passt am besten zu Simulationen, die zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch den Kollaps der allerersten, extrem massereichen Sterne entstanden sind. Diese Sterne bildeten sich in riesigen „Mini-Halos“ aus Materie und dunkler Materie im Kosmos und hatten eine Masse, die Tausende Male größer war als unsere Sonne.
Anstatt als Supernovae zu explodieren, kollabierten diese Ursterne jedoch aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft schnell in sich selbst und bildeten so genannte Schwarze Löcher mittlerer Masse (massiver als die typischen Schwarzen Löcher mit stellarer Masse, die heute durch Supernovaexplosionen erzeugt werden, aber weniger massiv als die supermassiven Riesen). Diese ersten Sterne entstanden vielleicht zwischen 150 Millionen und 200 Millionen Jahren nach dem Urknall und begannen schnell, Materie zu verzehren und zu wachsen.
Die nächste Generation von Sternen, die sich bildete, war nicht in der Lage, Schwarze Löcher mit so großen Massen zu bilden, da ihre Geburtszonen von ultraviolettem Licht anderer Sterne in der Nähe bestrahlt und von den Schockwellen naher Supernovas getroffen wurden, was die Bedingungen für die Sternbildung verändert hätte. Bei der nächsten Generation von Sternen handelte es sich um „normalere“ Sterne mit Massen, wie wir sie heute in unserer Galaxie finden.
‚„Der Entstehungsmechanismus früher Schwarzer Löcher ist ein wichtiger Teil des Rätsels der Galaxienentwicklung“, so Hayes. „Zusammen mit Modellen, wie Schwarze Löcher wachsen, können Berechnungen der Galaxienentwicklung nun auf eine physikalisch motivierte Grundlage gestellt werden, mit einem genauen Schema, wie Schwarze Löcher aus kollabierenden massereichen Sternen entstanden sind.“
Wenn die Ergebnisse richtig interpretiert werden, könnten wir also nicht nur etwas über supermassereiche Schwarze Löcher lernen, sondern auch über die allerersten Sterne, die es gab. Der nächste Schritt besteht darin, das Universum mit dem JWST noch genauer und tiefer zu erforschen. Da das JWST jedoch erst im Dezember 2021 gestartet ist, hatte es noch keine Gelegenheit, Beobachtungen über einen ausreichend langen Zeitraum anzustellen, um die Variabilität von AGN im frühen Universum zu erkennen. Das JWST wird das Hubble Ultra Deep Field zum ersten Mal im Jahr 2023 alleine abbilden – aber wie Hayes‘ Team in seinem Forschungspapier schreibt, hat das Hubble Space Telescope einen Vorsprung verschafft.
Die Ergebnisse wurden am 6. August in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
