Eine Illustration zeigt ein extrem rotes supermassives schwarzes Loch in der Frühzeit des Universums.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen ein „extrem rotes“ supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das im schattigen, frühen Universum wächst.
Der rote Farbton des supermassiven schwarzen Lochs, wie er etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen war, ist das Ergebnis des expandierenden Universums. Da sich das Universum in alle Richtungen ausdehnt, wird das Licht, das auf uns zukommt, „rotverschoben“, und das rotverschobene Licht deutet in diesem Fall auf einen Mantel aus dickem Gas und Staub hin, der das Schwarze Loch umhüllt.
Das Astronomenteam unter der Leitung von Lukas Furtak und Adi Zitrin von der Ben-Gurion-Universität des Negev konnte anhand der JWST-Daten auch die Masse des supermassiven schwarzen Lochs bestimmen. Mit rund 40 Millionen Mal der Masse der Sonne ist es im Vergleich zu der Galaxie, in der es sich befindet, unerwartet massiv.
Das Team fand auch heraus, dass das supermassive Schwarze Loch, das etwa 12,9 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist, sich schnell von dem Gas und dem Staub in seiner Umgebung ernährt. Mit anderen Worten: Es wächst.
„Wir waren sehr aufgeregt, als JWST begann, seine ersten Daten zu senden. Wir scannten die Daten, die für das UNCOVER-Programm eintrafen, und drei sehr kompakte, aber rot leuchtende Objekte stachen hervor und fielen uns auf“, sagte Furtak in einer Erklärung. „Ihr ‚Rot-Punkt‘-Erscheinungsbild ließ uns sofort vermuten, dass es sich um ein quasarähnliches Objekt handelt.“
Inhaltsübersicht
Die ‚drei roten Punkte‘
Quasare entstehen, wenn große Mengen an Materie supermassereiche schwarze Löcher wie dieses umgeben. Diese Materie bildet eine Scheibe aus Gas und Staub, eine so genannte Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch allmählich ernährt. Durch den immensen Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs wird diese Materie durcheinander gewirbelt, wodurch hohe Temperaturen entstehen und sie zum Leuchten gebracht wird.
Darüber hinaus wird die Materie, die nicht in das supermassive Schwarze Loch fällt, zu den Polen des kosmischen Titanen gelenkt. In diesen Regionen werden die Teilchen in Form von hoch kollimierten Strahlen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Ausbrüche dieser relativistischen Strahlen werden von hellen elektromagnetischen Emissionen begleitet.
Als Ergebnis dieser Phänomene sind Quasare, die von supermassiven schwarzen Löchern in aktiven galaktischen Kernen (AGN) angetrieben werden, oft so hell, dass das von ihnen ausgestrahlte Licht oft das kombinierte Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie überstrahlt.
Die enorme Menge an Strahlung, die von diesem supermassiven schwarzen Loch ausgeht, hat dazu geführt, dass es in den JWST-Daten ein kleines, punktförmiges Aussehen hat.
„Die Analyse der Farben des Objekts zeigte, dass es sich nicht um eine typische sternbildende Galaxie handelte. Dies unterstützt die Hypothese des supermassiven Schwarzen Lochs“, sagte Rachel Bezanson von der Universität Pittsburgh und Co-Leiterin des UNCOVER-Programms in der Erklärung. „Zusammen mit seiner kompakten Größe wurde deutlich, dass es sich wahrscheinlich um ein supermassives Schwarzes Loch handelt, obwohl es sich von anderen Quasaren unterscheidet, die zu dieser frühen Zeit gefunden wurden.“
Der frühe Quasar wäre selbst für das leistungsstarke Infrarotauge des JWST nicht sichtbar gewesen, wenn nicht ein von Albert Einstein im Jahr 1915 vorhergesagter Effekt ein wenig nachgeholfen hätte.
Einsteins Linse
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse die Struktur von Raum und Zeit krümmen, die in Wirklichkeit zu einer einzigen Einheit, der „Raumzeit“, vereint sind. Die Theorie besagt weiter, dass die Schwerkraft aus dieser Krümmung resultiert. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto „extremer“ ist die Krümmung der Raumzeit.
Diese Krümmung gibt den Planeten nicht nur vor, wie sie sich um Sterne und Sterne und um die Zentren ihrer Heimatgalaxien bewegen, sondern sie verändert auch die Wege des Lichts, das von diesen Sternen kommt.
Je näher das Licht am Objekt der Masse ist, desto stärker wird seine Bahn „gekrümmt“. Unterschiedliche Lichtpfade von einem einzigen Hintergrundobjekt können daher von einem Vordergrund- oder „Linsenobjekt“ gekrümmt werden und das Erscheinungsbild der Position des Hintergrundobjekts verändern. Manchmal kann der Effekt sogar dazu führen, dass das Hintergrundobjekt an mehreren Stellen im selben Bild des Himmels erscheint. In anderen Fällen wird das Licht des Hintergrundobjekts einfach verstärkt, und das Objekt wird vergrößert.
Dieses Phänomen ist als „Gravitationslinse“ bekannt.
Ein Diagramm zeigt, wie Licht von einem Hintergrundobjekt durch einen Vordergrundkörper gekrümmt wird. (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)
In diesem Fall nutzte das JWST einen Galaxienhaufen namens Abell 2744 als Linsenkörper im Vordergrund, um das Licht von Hintergrundgalaxien zu verstärken, die ansonsten zu weit entfernt sind, um sie zu sehen. Dadurch wurde der extrem rote Quasar sichtbar, den sie ursprünglich in Form von drei roten Punkten anpeilten.
„Wir haben ein numerisches Linsenmodell verwendet, das wir für den Galaxienhaufen konstruiert hatten, um festzustellen, dass es sich bei den drei roten Punkten um mehrere Bilder derselben Hintergrundquelle handeln muss, die gesehen wurde, als das Universum nur etwa 700 Millionen Jahre alt war“, sagte Zitrin.
Eine künstlerische Darstellung eines supermassereichen schwarzen Lochs und seines starken Jets. Astronomen wollen wissen, wie diese Objekte in der Frühzeit des Universums enorme Massen erreicht haben. (Bildnachweis: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))
Eine weitere Analyse der Hintergrundquelle ergab, dass ihr Licht aus einer kompakten Region stammen muss.
„Das gesamte Licht dieser Galaxie muss in eine winzige Region von der Größe eines heutigen Sternhaufens passen. Die Vergrößerung der Quelle durch Gravitationslinsen gab uns exquisite Grenzen für die Größe“, sagte Jenny Greene, Mitglied des Teams und Forscherin an der Princeton University, in der Erklärung. „Selbst wenn man alle möglichen Sterne in eine so kleine Region packt, macht das Schwarze Loch am Ende mindestens 1% der Gesamtmasse des Systems aus.“
Die Entdeckung trägt weiter zu dem Rätsel bei, wie supermassive Schwarze Löcher, die Millionen (oder sogar Milliarden) Mal so massiv wie die Sonne sein können, in den Anfängen des Universums zu solch enormen Größen heranwuchsen.
„Mehrere andere supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum zeigen jetzt ein ähnliches Verhalten, was zu einigen faszinierenden Ansichten über das Wachstum von Schwarzen Löchern und Wirtsgalaxien und das Zusammenspiel zwischen ihnen führt, das noch nicht gut verstanden ist“, sagte Greene.
Das JWST hat im Laufe der Zeit eine Vielzahl von „kleinen roten Punkten“ entdeckt. Diese könnten auch auf die Fütterung von Quasaren mit supermassiven schwarzen Löchern im frühen Universum hinweisen, was bedeuten könnte, dass das Rätsel um das Wachstum der schwarzen Löcher bald gelöst sein könnte.
„In gewisser Weise ist es das astrophysikalische Äquivalent des Huhn-Ei-Problems“, schloss Zitrin. „Wir wissen derzeit nicht, was zuerst da war – die Galaxie oder das schwarze Loch, wie massiv die ersten schwarzen Löcher waren und wie sie gewachsen sind.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 14. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
