Blog

Hauptbild: Illustration eines von einem supermassiven Schwarzen Loch angetriebenen Quasars. Inset: Eine Karte der Linienemissionen von Wasserstoff (in rot und blau) und Sauerstoff (in grün) im System PJ308-21, dargestellt nach Maskierung des Lichts des zentralen Quasars (QSO).(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)/ Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen den dramatischen „Tanz“ zwischen einem supermassiven schwarzen Loch und zwei Satellitengalaxien beobachtet. Die Beobachtungen könnten den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie Galaxien und supermassive schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sind.

Dieses supermassereiche Schwarze Loch ernährt sich von der umgebenden Materie und treibt einen hellen Quasar an, der so weit entfernt ist, dass JWST ihn so sieht, wie er weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war. Der Quasar mit der Bezeichnung PJ308-21 befindet sich in einem aktiven galaktischen Kern (AGN) in einer Galaxie, die dabei ist, mit zwei massereichen Satellitengalaxien zu verschmelzen.

Das Team stellte nicht nur fest, dass das Schwarze Loch eine Masse hat, die der von zwei Milliarden Sonnen entspricht, sondern auch, dass sowohl der Quasar als auch die an der Verschmelzung beteiligten Galaxien hoch entwickelt sind – eine Überraschung, wenn man bedenkt, dass sie bereits existierten, als der 13,8 Jahre alte Kosmos noch ein Kleinkind war.

Die Verschmelzung dieser drei Galaxien wird dem supermassiven schwarzen Loch wahrscheinlich große Mengen an Gas und Staub zuführen, die sein Wachstum fördern und es ihm ermöglichen, PJ308-21 weiter mit Energie zu versorgen.

„Unsere Studie zeigt, dass sowohl die schwarzen Löcher im Zentrum von hochverschiebten [frühen und weit entfernten] Quasaren als auch die Galaxien, die sie beherbergen, bereits in den ersten Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte ein extrem effizientes und turbulentes Wachstum durchlaufen, das durch die reiche galaktische Umgebung, in der diese Quellen entstehen, unterstützt wird“, sagte der Leiter des Teams, Roberto Decarli, ein Forscher am Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Italien, in einer Erklärung.

Die Daten wurden im September 2022 mit dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) des JWST im Rahmen des 1554-Programms gesammelt, das darauf abzielt, die Verschmelzung zwischen der Galaxie PJ308-21 und zwei ihrer Satellitengalaxien zu beobachten.

Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter

Decarli fügte hinzu, dass die Arbeit eine echte „emotionale Achterbahn“ für das Team darstellte, das innovative Lösungen entwickelte, um die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Datenreduktion zu überwinden und Bilder mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % pro Pixel zu erzeugen.

Karte der ionisierenden Sauerstoffemission im System PJ308-21, beobachtet mit dem JWST, zeigt eine komplexe dreidimensionale Struktur des Systems und den „kosmischen Tanz“ der Satellitengalaxien um den Quasar. (Bildnachweis: Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

Ein sehr metallischer Quasar

Quasare entstehen, wenn supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- oder milliardenfachen Masse der Sonne, die im Herzen von Galaxien sitzen, von einer Fülle von Gas und Staub umgeben sind. Diese Materie bildet eine abgeflachte Wolke, die so genannte Akkretionsscheibe, die um das Schwarze Loch herumwirbelt und es allmählich ernährt.

Die gewaltigen Gravitationskräfte des Schwarzen Lochs erzeugen in dieser Akkretionsscheibe starke Gezeitenkräfte, die das Gas und den Staub auf Temperaturen von bis zu 120.000 Grad Fahrenheit (67.000 Grad Celsius) erhitzen. Dies führt dazu, dass die Akkretionsscheibe Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum ausstrahlt. Diese Emission kann oft heller sein als das kombinierte Licht aller Sterne in der umgebenden Galaxie, was Quasare wie PJ308-21 zu einigen der hellsten Objekte im Kosmos macht.

Schwarze Löcher haben zwar keine Merkmale, anhand derer man ihre Entwicklung bestimmen kann, aber ihre Akkretionsscheiben (und damit Quasare) schon. In der Tat können Galaxien auf die gleiche Weise „gealtert“ werden.

Eine künstlerische Darstellung eines supermassiven schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe. (Bildnachweis: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

Das frühe Universum war mit Wasserstoff, dem leichtesten und einfachsten Element, und etwas Helium gefüllt. Dies bildete die Grundlage für die ersten Sterne und Galaxien, aber im Laufe des Lebens dieser stellaren Körper schmiedeten sie Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren und die die Astronomen „Metalle“ nennen.

Als diese Sterne ihr Leben in gewaltigen Supernova-Explosionen beendeten, wurden diese Metalle in ihren Galaxien verteilt und bildeten die Bausteine für die nächste Generation von Sternen. Dieser Prozess führte dazu, dass die Sterne und damit auch die Galaxien immer „metallreicher“ wurden.

Das Team fand heraus, dass das aktive Herz von PJ308-21, wie die meisten AGNs, metallreich ist und das Gas und der Staub in seiner Umgebung „photoionisiert“ werden. „Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem Lichtteilchen, so genannte Photonen, die Energie liefern, die Elektronen benötigen, um aus Atomen auszutreten und elektrisch geladene Ionen zu erzeugen.

Karte der Linienemissionen von Wasserstoff (in rot und blau) und Sauerstoff (in grün) im System PJ308-21, dargestellt nach Maskierung des Lichts des zentralen Quasars (QSO). Die unterschiedlichen Farben der Wirtsgalaxie des Quasars und der Begleitgalaxien in dieser Karte geben Aufschluss über die Bedingungen und physikalischen Eigenschaften des Gases in ihnen. (Bildnachweis: Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

Eine der Galaxien, die mit der Wirtsgalaxie PJ308-21 verschmilzt, ist ebenfalls reich an Metall, und ihre Materie wird ebenfalls teilweise durch die elektromagnetische Strahlung des Quasars photoionisiert.

Photoionisation findet auch in der zweiten Satellitengalaxie statt, aber in diesem Fall wird sie durch eine schnelle Sternbildung verursacht. Diese zweite Galaxie unterscheidet sich auch von der ersten und dem AGN, da sie metallarm zu sein scheint.

„Dank NIRSpec können wir im System PJ308-21 zum ersten Mal das optische Band untersuchen, das reich an wertvollen diagnostischen Daten über die Eigenschaften des Gases in der Nähe des Schwarzen Lochs in der Galaxie, die den Quasar beherbergt, und in den umliegenden Galaxien ist“, sagte Teammitglied und INAF-Astrophysikerin Federica Loiacono. „Wir können zum Beispiel die Emission von Wasserstoffatomen sehen und sie mit der von chemischen Elementen vergleichen, die von den Sternen produziert werden, um festzustellen, wie reich das Gas an Metallen ist.“

Obwohl das Licht diesen Quasar aus dem frühen Universum über den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, einschließlich des optischen Lichts und der Röntgenstrahlung, verlässt, kann man ihn nur im Infraroten beobachten.

Das liegt daran, dass die Ausdehnung des Universums die Wellenlängen des Lichts beträchtlich „gestreckt“ hat, während es über 12 Milliarden Jahre unterwegs war, um JWST zu erreichen. Dadurch wird das Licht in Richtung des „roten Endes“ des elektromagnetischen Spektrums „verschoben“, ein Phänomen, das verständlicherweise „Rotverschiebung“ genannt wird und von den Astronomen mit „z“ bezeichnet wird.

JWST ist aufgrund seiner Empfindlichkeit für infrarotes Licht besonders gut in der Lage, „stark rotverschobene“ oder „hochz“-Objekte und Ereignisse wie PJ308-21 zu erkennen.

„Dank der Empfindlichkeit des JWST im nahen und mittleren Infrarot war es möglich, das Spektrum des Quasars und der Begleitgalaxien mit noch nie dagewesener Präzision im fernen Universum zu untersuchen“, schloss Loiacono. „Nur die hervorragende ‚Sicht‘, die das JWST bietet, kann diese Beobachtungen gewährleisten.“

Die Forschungsarbeit des Teams wurde zur Veröffentlichung im Juni 2024 in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen.