Ein Bild eines alten, von einem supermassiven schwarzen Loch angetriebenen Quasars im frühen Universum, wie es vom JWST gesehen wurde (Bildnachweis: Christina Eilers/EIGER-Team)
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen 13 Milliarden Jahre zurückgeblickt und dabei überraschend einsame Quasare entdeckt, die von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben werden.
Die Beobachtungen des James Webb Weltraumteleskops (JWST) sind verwirrend, da isolierte Schwarze Löcher nur schwer genug Masse ansammeln sollten, um den Status eines supermassiven Lochs zu erreichen, insbesondere nur ein paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Die Entdeckung verwirrt auch das Rätsel, wie einige Schwarze Löcher auf die Masse von Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen anwachsen konnten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.
Die Ergebnisse kamen zustande, nachdem ein Team von Wissenschaftlern mit dem JWST die Umgebung von fünf der frühesten bekannten Quasare untersucht hatte, die entstanden, als der Kosmos zwischen 600 und 700 Millionen Jahre alt war. Das Team fand heraus, dass die Umgebung dieser Quasare, die als „Quasarfelder“ bezeichnet werden, überraschend unterschiedlich war. Einige waren die dicht gepackten Umgebungen, die Wissenschaftler voraussagen, aber andere waren spärlich bevölkerte „leere Vorratskammern“, die das Wachstum supermassereicher schwarzer Löcher nur schwerlich ernähren können.
„Im Gegensatz zu früheren Annahmen stellen wir fest, dass sich diese Quasare im Durchschnitt nicht unbedingt in den Regionen mit der höchsten Dichte des frühen Universums befinden. Einige von ihnen scheinen mitten im Nirgendwo zu liegen“, so Anna-Christina Eilers, Assistenzprofessorin für Physik am Massachusetts Institute of Technology, in einer Erklärung. „Es ist schwer zu erklären, wie diese Quasare so groß werden konnten, wenn sie anscheinend nichts haben, von dem sie sich ernähren können.
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Quasare brauchen volle Speisekammern
Man nimmt an, dass supermassive schwarze Löcher in den Herzen aller großen Galaxien des relativ modernen Universums lauern. Da kein Stern groß genug ist, um zu kollabieren und schwarze Löcher mit solch monströsen Massen zu bilden, wissen die Wissenschaftler, dass sich supermassive schwarze Löcher auf andere Weise bilden müssen als so genannte „stellarmassige schwarze Löcher“ mit Massen zwischen dem 10- und 100-fachen der Sonne, die aus dem Tod massereicher Sterne entstehen.
Supermassive Schwarze Löcher können durch die fortschreitende Verschmelzung immer größerer Schwarzer Löcher entstehen, wie Modelle nahelegen – das Problem ist jedoch, dass dieser Prozess über 1 Milliarde Jahre dauern sollte. Das JWST sieht jedoch supermassereiche Schwarze Löcher, die in viel kürzerer Zeit entstanden sind.
Diese supermassereichen Schwarzen Löcher sind zu sehen, weil sie sich in turbulenten, gasreichen Umgebungen befinden, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden und von denen sie sich ernähren. Das begünstigt auch ihr Wachstum. Die immense Masse der Schwarzen Löcher in diesen Umgebungen bewirkt, dass die sie umgebenden abgeflachten Gas- und Staubwolken hell leuchten und oft das Licht aller Sterne in der Galaxie, in der sie leben, überstrahlen. Dieses Licht, das Billionen Mal heller ist als das der Sonne, weist auf einen Quasar hin. Um diese unglaubliche Leuchtkraft zu erreichen, benötigen supermassereiche Schwarze Löcher jedoch einen „Lieferdienst“, der ihre unmittelbare Umgebung mit Gas und Staub versorgt.
„Es ist einfach phänomenal, dass wir jetzt ein Teleskop haben, das Licht von vor 13 Milliarden Jahren in so vielen Details einfangen kann“, sagte Eilers. „Mit JWST können wir zum ersten Mal die Umgebung dieser Quasare betrachten, wo sie entstanden sind und wie ihre Nachbarschaft aussah.“
Eine Illustration zeigt ein supermassives Schwarzes Loch, das Quasare antreibt (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Um die weitere Umgebung von Quasaren zu untersuchen, wählte das Team fünf von supermassiven schwarzen Löchern angetriebene Regionen aus, die vom JWST zwischen August 2022 und Juni 2023 untersucht wurden. Dazu mussten mehrere Bilder „zusammengefügt“ werden, um ein Quasar-Feldmosaik für jede supermassive schwarze Loch-Nachbarschaft zu erstellen.
Durch die Verarbeitung der verschiedenen Wellenlängen des Lichts in den Bildern konnte auch festgestellt werden, ob das Licht von einer Nachbargalaxie des Quasars stammt, und es konnte gemessen werden, wie weit diese Galaxie von dem hellen zentralen Quasar entfernt ist.
„Wir haben festgestellt, dass der einzige Unterschied zwischen diesen fünf Quasaren darin besteht, dass ihre Umgebung so unterschiedlich aussieht“, sagte Eilers. „Zum Beispiel hat ein Quasar fast 50 Galaxien um sich herum, während ein anderer nur zwei hat. Und beide Quasare befinden sich in der gleichen Größe, dem gleichen Volumen, der gleichen Helligkeit und der gleichen Zeit des Universums.
„Das war wirklich überraschend zu sehen.“
Hatten frühe supermassive schwarze Löcher Wachstumsschübe?
Die Ergebnisse des Teams stellen die Idee des Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher und sogar der Galaxienbildung insgesamt in Frage. Nach derzeitigem Kenntnisstand wurde diese Entwicklung durch ein riesiges „kosmisches Netz“ aus dunkler Materie gesteuert. Dunkle Materie macht etwa 85 % der gesamten Materie aus, bleibt aber für uns praktisch unsichtbar.
Die Fäden der dunklen Materie im kosmischen Netz lenkten Gas und Staub im frühen Universum und zogen die Urmaterie entlang ihrer riesigen Ranken an. Wo sich die Stränge dieses kosmischen Netzes trafen, sammelten sich übermäßig dichte Materiebereiche an. Hier entstanden frühe Galaxien, und hier sollten die ersten Quasare zu finden sein.
„Das kosmische Netz aus dunkler Materie ist eine solide Vorhersage unseres kosmologischen Modells des Universums, und es kann mit numerischen Simulationen detailliert beschrieben werden“, sagte der Leiter des Teams, Elia Pizzati, Doktorand an der Universität Leiden, in der Erklärung. „Indem wir unsere Beobachtungen mit diesen Simulationen vergleichen, können wir bestimmen, wo im kosmischen Netz Quasare zu finden sind.“
Abbildung einer Galaxie mit einem Quasarherz, das dort wächst, wo sich die Fäden des „kosmischen Netzes“ treffen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit canva))
Die supermassereichen Schwarzen Löcher an diesen Knotenpunkten des kosmischen Netzes sollten durch die stetige und schnelle Akkretion von Gas und Staub wachsen, die vom kosmischen Netz wie ein galaktischer Fressnapf geliefert werden – dies würde es den Quasaren ermöglichen, monströse Massen und extreme Helligkeit zu erreichen -, aber die Wissenschaftler müssen noch wissen, wie dies so früh in der Geschichte des Universums geschah.
„Die Hauptfrage, die wir zu beantworten versuchen, lautet: Wie entstehen diese schwarzen Löcher mit einer Milliarde Solarmassen zu einem Zeitpunkt, an dem das Universum noch sehr, sehr jung ist? Leider scheint diese Forschung mehr Fragen aufgeworfen zu haben, als dass sie Antworten auf die Fragen gibt, die die Wissenschaftler bereits beunruhigen. Die unwirtlichen Gegenden scheinen auf einen Mangel an dunkler Materie und eine Überdichte an kosmischen Netzknoten hinzudeuten. Wenn das der Fall ist, können die derzeitigen Theorien über den Wachstumsmechanismus diese Quasare nicht erklären.
Eine mögliche Lösung dieses Rätsels ist, dass diese frühen Quasare tatsächlich von kosmischem Staub umgeben und daher nicht sichtbar sind. Das Team beabsichtigt nun, seine Beobachtungen dieser potenziell leeren Quasar-Felder zu „tunen“, um solche umhüllten Galaxien zu entdecken.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass immer noch ein wichtiges Teil des Puzzles fehlt, wie diese supermassiven schwarzen Löcher wachsen“, schloss Eilers. „Wenn nicht genug Material vorhanden ist, damit einige Quasare kontinuierlich wachsen können, muss es einen anderen Weg geben, wie sie wachsen können, den wir noch nicht kennen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 17. Oktober in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
