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Die Galaxie GN-z11, wie sie vom Hubble-Weltraumteleskop gesehen wird, und eine Illustration eines fütternden Schwarzen Lochs (Einsatz) (Bildnachweis: NMASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University) und G. Illingworth (University of California, Santa Cruz) (Einsatz) Robert Lea )

Ein Team von Astronomen hat mit dem James Webb Space Telescope (JWST) das entfernteste und älteste Schwarze Loch entdeckt, das je gesehen wurde, während es sich an seiner Wirtsgalaxie labt.

Die Entdeckung könnte einen gewaltigen Schritt nach vorn bedeuten, wenn es darum geht zu verstehen, wie supermassereiche Schwarze Löcher in den frühen Epochen des Universums eine Masse erreichten, die dem Millionen- oder Milliardenfachen der Sonne entspricht.

Das Schwarze Loch befindet sich in der uralten Galaxie GN-z11, die 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist und damit so gesehen wird, wie sie nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Das Schwarze Loch selbst ist etwa 6 Millionen Mal so massiv wie die Sonne und scheint sich fünfmal schneller von Materie aus der umgebenden Galaxie zu ernähren, als es nach den derzeitigen Theorien möglich ist.

Roberto Maiolino, Physikprofessor an der Universität Cambridge und Leiter des Teams, bezeichnete die Entdeckung in einer Erklärung als einen „riesigen Sprung nach vorn“ für die Wissenschaft von Schwarzen Löchern.

„Es ist sehr früh im Universum, um ein so massives Schwarzes Loch zu sehen, also müssen wir andere Wege in Betracht ziehen, wie sie entstehen könnten“, sagte Maiolino in der Erklärung. „Sehr frühe Galaxien waren extrem gasreich, so dass sie wie ein Buffet für Schwarze Löcher gewesen wären.“

Sind supermassive schwarze Löcher Überfresser?

Die Größe früher supermassiver schwarzer Löcher, die sich bildeten, als das Universum weniger als 1 Milliarde Jahre alt war, stellt ein Problem für die Entstehungstheorien dar, denn um eine Masse zu erreichen, die das Millionen- oder Milliardenfache der Sonnenmasse beträgt, bedarf es Milliarden von Jahren ständiger Ernährung.

„Es ist, als würde man eine Familie sehen, die die Straße entlanggeht und zwei zwei Meter große Teenager hat, die aber auch ein zwei Meter großes Kleinkind dabei haben“, sagte John Reagan von der Universität Maynooth, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, gegenüber kosmischeweiten.de in Bezug auf die vorherige Entdeckung. „Das ist ein kleines Problem: Wie ist das Kleinkind so groß geworden? Und so ist es auch bei den supermassiven Schwarzen Löchern im Universum. Wie konnten sie so schnell so massiv werden?“

Wissenschaftler kennen derzeit zwei Hauptwege, die Schwarze Löcher einschlagen könnten, um im frühen Universum den Status eines supermassiven Lochs zu erreichen. Sie könnten als kleine schwarze Löcher beginnen, die entstehen, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens und nach Millionen oder Milliarden von Jahren kollabieren, oder sie könnten diese Phase ganz überspringen.

Dies könnte der Fall sein, wenn riesige Wolken aus kaltem Gas und Staub kollabieren und sofort einen „schweren schwarzen Lochkeim“ mit einer Masse bilden, die einige Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Auf diese Weise kann der Prozess Millionen oder Milliarden von Jahren der Sternentwicklung im Schnelldurchlauf durchlaufen und einen Vorsprung bei den Fütterungs- und Verschmelzungsprozessen erhalten, die dazu beitragen, dass die Samen der Schwarzen Löcher zu supermassiven Schwarzen Löchern heranwachsen. Die Entdeckung dieses neuen uralten Schwarzen Lochs mit einer Masse, die einige Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, spricht für diese Theorie der schweren Samen.

Das Event Horizon Telescope, ein planetarisches Array aus acht bodengestützten Radioteleskopen, das in internationaler Zusammenarbeit entstanden ist, hat dieses Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und seines Schattens aufgenommen. (Bildnachweis: EHT Collaboration)Die Geschwindigkeit, mit der das Schwarze Loch in GN-z11 Materie akkretiert, könnte darauf hindeuten, dass Schwarze Löcher in der Lage sind, sich viel schneller zu ernähren, als dies bei anderen Schwarzen Löchern, die im frühen Universum entdeckt wurden, beobachtet wurde. Dies würde die Theorien über die Entstehung kleiner schwarzer Löcher stärken.

Eine mathematische Formel, die als Eddington-Grenze bekannt ist, gibt an, wie schnell ein Körper, z. B. ein Stern, Masse ansammeln kann, ohne dass die Strahlung, die er aussendet (seine Leuchtkraft), diese Masse wegstößt und damit die Nahrungszufuhr unterbricht.

Schwarze Löcher emittieren zwar kein Licht, weil sie durch eine lichtundurchlässige Grenze, den sogenannten Ereignishorizont, begrenzt sind, aber ihr massiver Gravitationseinfluss führt dazu, dass das Material, das sie umgibt, heftig aufgewirbelt und erhitzt wird und dabei Strahlung aussendet. Je schneller sich ein Schwarzes Loch ernährt, desto intensiver ist das Licht aus dieser Region, die als aktiver galaktischer Kern (AGN) bezeichnet wird.

Das Eddington-Limit gilt also für diesen Bereich und kann ebenfalls dazu führen, dass Material weggestoßen wird und der Fressrausch eines Schwarzen Lochs unterbrochen wird.

Dieses neu entdeckte Schwarze Loch akkretiert Materie aus seiner Wirtsgalaxie mit einer Rate, die fünfmal höher ist als die Eddington-Grenze. Das Team schätzt, dass dieses Schwarze Loch, wenn diese Periode der unersättlichen Nahrungsaufnahme 100 Millionen Jahre lang angedauert hätte, nicht als schwerer Schwarzer Lochkeim hätte entstehen müssen. Es könnte sich aus einem viel leichteren stellaren Schwarzen Loch zwischen etwa 250 Millionen und 370 Millionen Jahren nach dem Urknall gebildet haben und schnell zu der Masse angewachsen sein, die es vor 13,4 Millionen Jahren mit dem JWST beobachtet.

Fütterndes Schwarzes Loch kann seiner Wirtsgalaxie zum Verhängnis werden

Das Team ist sich ziemlich sicher, dass die intensive Fütterung dieses Schwarzen Lochs für GN-z11 selbst verantwortlich ist, das etwa 100 Mal kleiner als die Milchstraße ist und stark leuchtet. Aber das gefräßige Schwarze Loch wird wahrscheinlich auch das Wachstum seiner Wirtsgalaxie bremsen.

Ultraschnelle Winde von Partikeln, die aus der Umgebung des fressenden Schwarzen Lochs ausgestoßen werden, stoßen wahrscheinlich Gas und Staub aus dem Herzen der Galaxie ab. Kalte Gas- und Staubwolken kollabieren, um Sterne zu gebären. Das bedeutet also, dass das Schwarze Loch die Sternentstehung zum Stillstand bringt und damit das Wachstum dieser kleinen Galaxie „tötet“.

Das Team, das hinter dieser Forschung steht, glaubt, dass die Leistung des JWST nicht nur mehr über dieses schwarze Loch und seine Galaxie erfahren, sondern auch dazu beitragen sollte, weitere schwarze Löcher im frühen Universum zu entdecken.

Sie wollen insbesondere kleine schwarze Löcher in den Anfängen des Kosmos entdecken und die Debatte über das vorzeitige Wachstum supermassereicher schwarzer Löcher beenden.

„Es ist eine neue Ära: Der riesige Sprung in der Empfindlichkeit, vor allem im Infraroten, ist wie ein Upgrade von Galileos Teleskop zu einem modernen Teleskop über Nacht“, schloss Maiolino. „Bevor das JWST in Betrieb genommen wurde, dachte ich, dass das Universum vielleicht nicht so interessant ist, wenn man über das hinausgeht, was wir mit dem Hubble-Weltraumteleskop sehen konnten. Aber das war ganz und gar nicht der Fall: Das Universum war sehr großzügig mit dem, was es uns zeigt, und dies ist erst der Anfang.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch, dem 17. Januar, in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.