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Eine Illustration zeigt ein überfüttertes Schwarzes Loch im frühen Universum, das kurz davor ist, ein Nickerchen zu machen (Bildnachweis: Jiarong Gu)

Ein Nickerchen nach übermäßigem Essen ist ein Dilemma, das viele von uns am Weihnachtstag erleben werden. Neue Forschungen haben gezeigt, dass vor Milliarden von Jahren auch einige frühe Schwarze Löcher ein Nickerchen machen mussten, nachdem sie sich überfressen hatten.

Mit Hilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) entdeckten Astronomen ein schlafendes supermassives Schwarzes Loch, das nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Dieses kosmische Monster ist nach einer besonders großen Mahlzeit aus galaktischem Gas und Staub eingeschlafen.

Das Schwarze Loch ist für seine monströse Größe außergewöhnlich. Mit einer Masse, die etwa 400 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, ist es das massivste schwarze Loch, das das JWST im frühen Universum gesehen hat. Die Entdeckung, die am Mittwoch (18. Dezember) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, verkompliziert das Rätsel, wie supermassereiche schwarze Löcher im frühen Universum so schnell so massiv werden konnten.

Die Masse dieses supermassiven schwarzen Lochs ist auch deshalb bemerkenswert, weil diese kosmischen Titanen, die normalerweise im lokalen (und rezenten) Universum zu finden sind, etwa 0,1 % der Masse ihrer Wirtsgalaxie besitzen. Dieses supermassive Schwarze Loch hat eine Masse, die etwa 40 % der Masse seiner Wirtsgalaxie entspricht.

Wissenschaftler würden erwarten, dass ein solch gigantisches Schwarzes Loch sich unersättlich ernährt und somit wächst. Doch dieses Schwarze Loch verschlingt Gas mit einer sehr langsamen Rate, etwa ein Hundertstel der maximal möglichen Akkretionsgrenze für ein Schwarzes Loch dieser Größe.

Ein fütterndes supermassives schwarzes Loch, umgeben von einer glühenden Scheibe aus Gas und Staub (Bildnachweis: Emanuela Tortosa)

Da Schwarze Löcher äußere Begrenzungen haben, die „Ereignishorizonte“ genannt werden und Licht (und alles andere, was an ihnen vorbeigeht) einfangen, sind sie in der Regel unsichtbar, wenn sie sich nicht gierig ernähren und die Materie beleuchten.

Wenn sie von Materie in einer abgeflachten Wolke, einer so genannten Akkretionsscheibe, umgeben sind, die sie allmählich ernährt, verursacht der Gravitationseinfluss supermassereicher Schwarzer Löcher eine enorme Reibung, die diese kosmische Speisekammer zum Leuchten bringt. Anhand dieser Emission können wir supermassereiche Schwarze Löcher nachweisen.

Dieses schlafende supermassive schwarze Loch war jedoch anders. Denn seine enorme Masse verlieh ihm einen gewaltigen Gravitationseinfluss, der es sichtbar machte.

„Obwohl dieses Schwarze Loch schlafend ist, konnten wir es aufgrund seiner enormen Größe aufspüren“, so der Leiter des Teams, Ignas Juodžbalis vom Kavli Institute for Cosmology in Cambridge, in einer Erklärung. „Sein ruhender Zustand ermöglichte es uns auch, etwas über die Masse der Wirtsgalaxie zu erfahren.

„Das frühe Universum hat es geschafft, einige absolute Monster hervorzubringen, sogar in relativ winzigen Galaxien.“

Warum sind frühe schwarze Monsterlöcher ein so großes Problem?

Seitdem das JWST im Jahr 2022 mit der Beobachtung des Kosmos begonnen hat, hat das leistungsstarke Instrument supermassive schwarze Löcher in früheren Stadien des Universums entdeckt.

Supermassive Schwarze Löcher sind kosmische Titanen mit einer Masse, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entspricht. Im Gegensatz zu stellaren Schwarzen Löchern, die sich durch den Kollaps massereicher Sterne bilden, geht man davon aus, dass supermassive Schwarze Löcher durch eine Kette von Verschmelzungen mit nachfolgenden massereicheren Schwarzen Löchern und durch eine ständige Zufuhr von Gas und Staub aus ihren Wirtsgalaxien entstehen.

Es wird angenommen, dass dieser Prozess mehr als eine Milliarde Jahre dauert, um ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse zu erzeugen, die selbst in der unteren Größenordnung dieser monströsen Massen liegt. Das bedeutet, dass die Entdeckung eines supermassiven schwarzen Lochs in der jüngeren Geschichte unseres 13,8 Milliarden Jahre alten Kosmos nicht problematisch ist.

Problematisch ist jedoch, dass das JWST diese kosmischen Titanen gefunden hat, als das Universum jünger als eine Milliarde Jahre alt war, manchmal sogar schon 600 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die enorme Größe dieses frühen Schwarzen Lochs und die Tatsache, dass es nicht einmal durch Fütterung schnell wächst, macht dieses Problem noch verwirrender.

Zwei binäre Schwarze Löcher stoßen im frühen Universum zusammen, um ein noch monströseres supermassives Schwarzes Loch zu erzeugen (Bildnachweis: NASA)

„Es ist möglich, dass Schwarze Löcher ‚groß geboren‘ werden, was erklären könnte, warum das JWST riesige Schwarze Löcher im frühen Universum entdeckt hat“, sagte Team-Mitglied und Kavli-Forscher Roberto Maiolino. „Aber eine andere Möglichkeit ist, dass sie Perioden der Hyperaktivität durchlaufen, gefolgt von langen Perioden der Ruhephase.

Schwarze Löcher schieben es über die Grenze zur Überförderung

Maiolino und Kollegen haben das Problem der supermassiven schwarzen Löcher im frühen Universum erneut untersucht, indem sie Simulationen ihrer Wachstumsmechanismen durchführten. Das Team fand heraus, dass die wahrscheinlichste Erklärung darin besteht, dass Schwarze Löcher kurzzeitig die Grenze der Akkretion überschreiten können.

Diese Fütterungsgrenze ist als „Eddington-Grenze“ bekannt. Sie besagt, dass jeder hungrig akkretierende Himmelskörper den Punkt erreicht, an dem die Strahlung, die er ausstößt, Material wegstößt und damit seine Nahrungszufuhr unterbricht.

Dieses Team glaubt, dass frühe Schwarze Löcher Phasen der Überfütterung oder „Super-Eddington-Akkretion“ erleben könnten. Während dieser Perioden würden gierige schwarze Löcher mit hyperbeschleunigten Raten wachsen. Dies würde 5 bis 10 Millionen Jahre andauern, wonach das Schwarze Loch 100 Millionen Jahre lang „schläft“.

„Es klingt kontraintuitiv, ein schlafendes Schwarzes Loch mit Perioden von Hyperaktivität zu erklären, aber diese kurzen Ausbrüche ermöglichen es ihm, schnell zu wachsen, während es die meiste Zeit mit einem Nickerchen verbringt“, sagte Maiolino.

Die Ruhephase dieser Schwarzen Löcher dauert 10 bis 20 Mal länger als die Phase der Super-Eddington-Akkretion, was bedeutet, dass die Astronomen diese kosmischen Titanen eher während ihres Mittagsschlafs als beim Abendessen erwischen können.

Die Entdeckung dieses titanischen, schlafenden Schwarzen Lochs ist ein Durchbruch für diese Theorie.

Dieses monströse frühe Schwarze Loch könnte nur die Spitze des Eisbergs sein, denn das Team vermutet, dass das frühe Universum voll von diesen schlafenden Giganten sein könnte. Leider ist es für Astronomen aufgrund der schlafenden Natur dieser Monster schwierig, sie zu entdecken.

„Es ist wahrscheinlich, dass die überwiegende Mehrheit der schwarzen Löcher da draußen sich in diesem schlafenden Zustand befindet – ich bin überrascht, dass wir dieses gefunden haben, aber ich freue mich, dass es so viele weitere gibt, die wir finden könnten“, schloss Maiolino.