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Ein Bild des James Webb Weltraumteleskops vom Quasar J0148 und dem supermassiven Balkenloch in seinem Herzen (Bildnachweis: NASA/Yue, et al)

Das James Webb Space Telescope (JWST) hat Licht von Sternen beobachtet, die einige der früheren supermassiven schwarzen Löcher im Universum umgeben – schwarze Löcher, wie sie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall zu sehen waren.

Die von einem Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführten Beobachtungen beschäftigen sich mit der Frage, wie diese kosmischen Titanen, die im Herzen von Galaxien sitzen, zu enormen Massen heranwuchsen, die Millionen (manchmal sogar Milliarden) von Sonnen entsprechen. Genauer gesagt, wie konnten sie so schnell wachsen? Die Ergebnisse könnten auch eine Antwort auf das Rätsel geben: Was war zuerst da, die Galaxie oder das supermassive schwarze Loch?

Die vom MIT-Team beobachteten supermassiven schwarzen Löcher ernähren sich unersättlich von der sie umgebenden Materie und erzeugen dabei gewaltige Gezeitenkräfte in einer Materiescheibe, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird, wodurch die Scheibe selbst zum Glühen gebracht wird. Diese Fütterungssituation treibt Objekte an, die Quasare genannt werden und in den Herzen aktiver Galaxien sitzen. Quasare gehören zu den leuchtstärksten Objekten im Kosmos. Einige von ihnen sind so hell, dass sie das Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien überstrahlen.

Supermassive Schwarze Löcher sind ebenfalls von Geheimnissen umgeben – vor allem, wenn sie in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums früher als 1 Milliarde Jahre gesehen werden. Das liegt daran, dass der kontinuierliche Verschmelzungsprozess schwarzer Löcher, von dem Wissenschaftler annehmen, dass supermassive schwarze Löcher im Laufe der Zeit wachsen, viele Milliarden Jahre in Anspruch nehmen sollte. Wie können also diese riesigen Hohlräume nur etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall existieren?

Nun, eine Vermutung ist, dass sie einen Vorsprung haben und sich aus sogenannten „schweren Keimzellen“ schwarzer Löcher bilden.

Durch die Beobachtung des schwachen Lichts von Sternen in den Wirtsgalaxien von sechs alten Quasaren mit dem JWST hat das MIT-Team zum ersten Mal Beweise dafür gesammelt, dass supermassereiche schwarze Löcher im frühen Universum tatsächlich aus schweren Keimen entstanden sind.

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„Diese schwarzen Löcher sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne, und das zu einer Zeit, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte“, so Anna-Christina Eilers, Mitglied des Teams und Assistenzprofessorin für Physik am MIT, in einer Erklärung. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum ihre Masse vor ihren Wirtsgalaxien gewonnen haben könnten, und dass die anfänglichen Samen der Schwarzen Löcher massereicher gewesen sein könnten als heute.“

Was war zuerst da? Das schwarze Loch oder seine Galaxie?

Die intensive Helligkeit von Quasaren, die in den 1960er Jahren entdeckt wurden, wurde zunächst als von einem einzigen sternförmigen Punkt ausgehend angenommen. Dies führte zu dem Namen „Quasar“, der ein Portmanteau des Begriffs „quasi-stellares“ Objekt ist. Forscher fanden jedoch bald heraus, dass Quasare in Wirklichkeit durch riesige Mengen an Materie verursacht werden, die in supermassiven schwarzen Löchern im Herzen von Galaxien akkretiert werden.

Allerdings sind diese Objekte auch von Sternen umgeben, die viel schwächer und schwieriger zu beobachten sind. Das liegt daran, dass dieses Sternenlicht durch das hellere Licht des Quasars, den die Sterne umkreisen, ausgelöscht wird. Die Unterscheidung zwischen dem Licht der Quasare und dem Licht der sie umgebenden Sterne ist also nicht ganz einfach, etwa so, als würde man das Licht von Glühwürmchen sehen, die auf der Lampe eines Leuchtturms in etwa einer Meile Entfernung sitzen.

Die Fähigkeit des JWST, weiter in die Vergangenheit zurückzublicken als jedes andere Teleskop, verbunden mit seiner hohen Empfindlichkeit und Auflösung, hat diese Herausforderung jedoch weniger entmutigend gemacht. So gelang es dem MIT-Team, Licht zu beobachten, das seit etwa 13 Milliarden Jahren von sechs Quasaren in uralten Galaxien zur Erde unterwegs ist.

„Der Quasar überstrahlt seine Wirtsgalaxie um mehrere Größenordnungen. Und frühere Bilder waren nicht scharf genug, um zu erkennen, wie die Wirtsgalaxie mit all ihren Sternen aussieht“, sagte Minghao Yue, ein Postdoc am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT, dem Team. „Jetzt sind wir zum ersten Mal in der Lage, das Licht dieser Sterne zu enthüllen, indem wir die viel schärferen Bilder dieser Quasare von JWST sehr sorgfältig modellieren.“

Eine Illustration eines Quasars im Herzen einer aktiven Galaxie (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Die JWST-Daten umfassten Messungen der Lichtemissionen jedes der sechs Quasare in einer Reihe von Wellenlängen. Diese Informationen wurden dann in ein Computermodell eingegeben, das aufzeigte, wie viel von diesem Licht einer kompakten Punktquelle – der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch – und wie viel einer diffuseren Quelle – den um die Galaxie verstreuten Sternen – zuzuordnen ist.

Durch die Aufspaltung des Lichts in zwei Quellen konnte das Team auch die Masse der beiden Elemente dieser Galaxien bestimmen. Dabei stellte sich heraus, dass die supermassiven schwarzen Löcher eine Masse haben, die etwa 10 % der Masse der sie umgebenden Sterne entspricht.

Das mag zwar nach einem massiven Ungleichgewicht zugunsten der Sterne klingen, aber bedenken Sie, dass in modernen Galaxien die zentralen supermassiven schwarzen Löcher nur 0,1 % der Masse der Sterne in den sie umgebenden Galaxien haben.

„Das sagt uns etwas darüber, was zuerst wächst: Ist es das Schwarze Loch, das zuerst wächst, und dann holt die Galaxie auf? Oder sind es die Galaxie und ihre Sterne, die zuerst wachsen und die das Wachstum des Schwarzen Lochs dominieren und regulieren?“ sagte Eilers. „Wir sehen, dass Schwarze Löcher im frühen Universum anscheinend schneller wachsen als ihre Wirtsgalaxien.

„Das ist ein vorläufiger Beweis dafür, dass die anfänglichen schwarzen Löcher damals massiver gewesen sein könnten.“

„Nachdem das Universum entstanden war, gab es schwarze Löcher, die in sehr kurzer Zeit Material verzehrten und wuchsen. Eine der großen Fragen ist, wie diese Monsterschwarzen Löcher so schnell so groß werden konnten“, schloss Yue. „Es muss einen Mechanismus geben, der dafür sorgt, dass ein Schwarzes Loch in diesen ersten Milliarden Jahren früher an Masse gewinnt als seine Wirtsgalaxie.“

Die Ergebnisse des Teams wurden im Astrophysical Journal veröffentlicht.