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Astronomen haben die größten jemals gesehenen Zwillingsstrahlen entdeckt, die aus einem Schwarzen Loch austreten. Die Jets erstrecken sich über rund 23 Millionen Lichtjahre, weit über die Grenzen ihrer Wirtsgalaxie hinaus und sind so lang wie 140 Milchstraßengalaxien aneinandergereiht.

Die Strahlen entspringen einem supermassiven schwarzen Loch im Herzen einer Galaxie, die etwa 7,5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Das bedeutet, dass sie so gesehen werden, wie sie waren, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum nur 6,3 Milliarden Jahre alt war, also etwa halb so alt wie heute. Die Strahlen, die von oben und unten aus dem Schwarzen Loch herausschießen, geben pro Sekunde das Billionenfache der Energie unserer Sonne ab.

„Wir wissen schon lange von diesen Strukturen, die durch Jets von supermassiven Schwarzen Löchern im galaktischen Zentrum entstehen, aber dieses hier sticht aus drei Gründen besonders hervor“, erklärt Teammitglied Martin Hardcastle von der University of Hertfordshire gegenüber kosmischeweiten.de. „Erstens ist es mit über 20 Millionen Lichtjahren von Ende zu Ende das bisher größte, was bedeutet, dass es vom Zentrum seiner Muttergalaxie direkt in die Leere zwischen Galaxien und Galaxiengruppen hinausreicht.

„Zweitens ist es eines der stärksten, die wir kennen, mit einer hohen Geschwindigkeit des Materieeinfalls in das Schwarze Loch. Und schließlich wurde es gefunden, als das Universum nur etwa halb so alt war wie heute, und es wird angenommen, dass es ein viel gewalttätigerer Ort war, an dem viel mehr passierte, was die Jets gestört haben könnte.“

Porphyrion, wie es vom LOFAR-Radioteleskop beim Austritt aus einem 7,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Schwarzen Loch gesehen wurde (Bildnachweis: LOFAR Collaboration/Martijn Oei)

Das Team, das die Megastruktur entdeckte, nannte sie „Porphyrion“, in Anlehnung an den gigantischen Sprössling von Gaia in der griechischen Mythologie. Porphyrion war der größte der Giganten neben Alcyoneus, dem Namensgeber der nächstgrößeren Gruppe von Jets aus Schwarzen Löchern, die im Jahr 2022 von demselben Wissenschaftlerteam entdeckt wurden und sich über eine Fläche erstrecken, die etwa 100 Milchstraßen entspricht.

Die Entdeckung eines so großen Systems von Jets aus Schwarzen Löchern, die in einem heute (18. September) in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben wird, deutet für die Forscher darauf hin, dass solche Ausströmungen die Entwicklung von Galaxien im frühen Universum in einem weitaus größeren Ausmaß beeinflusst haben könnten als bisher angenommen.

„Astronomen glauben, dass sich Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher gemeinsam entwickeln, und ein Schlüsselaspekt dabei ist, dass Jets riesige Mengen an Energie verbreiten können, die das Wachstum ihrer Wirtsgalaxien und anderer Galaxien in ihrer Nähe beeinflussen“, sagte Teammitglied George Djorgovski, Professor für Astronomie und Datenwissenschaft am California Institute of Technology (Caltech) in einer Erklärung. „Diese Entdeckung zeigt, dass ihre Auswirkungen viel weiter reichen können, als wir dachten.“

Schwarzes Loch Jets sind unerwartet lang im frühen Universum

Hardcastle und Kollegen entdeckten Pophyrion mit Hilfe des LOw Frequency ARray (LOFAR) Radioteleskops. Dieses europäische Instrument führt eine Himmelsdurchmusterung durch, bei der bisher über 10.000 dieser schwachen Megastrukturen entdeckt wurden. Diese Zahl hat die Astronomen schockiert, denn obwohl bereits vor den LOFAR-Beobachtungen Hunderte dieser großen Jetsysteme entdeckt worden waren, hatten die Astronomen sie immer noch für relativ selten gehalten.

„Riesenjets waren schon bekannt, bevor wir mit der Kampagne begannen, aber wir hatten keine Ahnung, dass es so viele sein würden“, sagte Hardcastle. „Normalerweise finden wir etwas Neues, wenn wir eine neue Beobachtungsmöglichkeit bekommen, wie LOFARs Kombination aus weitem Sichtfeld und sehr hoher Empfindlichkeit für ausgedehnte Strukturen, aber es war trotzdem sehr aufregend, so viele dieser Objekte auftauchen zu sehen.“

Beschriftetes Bild der Pophyrion genannten Jets eines Schwarzen Lochs, die aus einem supermassiven Schwarzen Loch austreten, das existierte, als das Universum halb so alt war wie heute (Bildnachweis: E. Wernquist / D. Nelson (IllustrisTNG Collaboration) / M. Oei)

Das Team begann 2018 mit der Suche nach Jets von Schwarzen Löchern, als es auch begann, die dünnen Fäden zu untersuchen, die die Hohlräume zwischen Galaxien durchziehen und die Wissenschaftler als „kosmisches Netz“ bezeichnen. Bei der Jagd nach diesen schwachen Ranken sah das Team zum ersten Mal mehrere überraschend lange Jet-Strukturen aus Schwarzen Löchern.

Als wir die riesigen Jets zum ersten Mal fanden, waren wir ziemlich überrascht“, sagte der Leiter des Teams, Martin Oei, ein Postdoktorand am Caltech, der auch am Leidener Observatorium arbeitet. „Wir hatten keine Ahnung, dass es so viele gibt.“

Das Team setzte verschiedene Methoden ein, um die in den LOFAR-Daten versteckten Jets aufzuspüren, darunter maschinelles Lernen, Scannen mit dem Auge und die Zusammenarbeit mit Bürgerwissenschaftlern aus der ganzen Welt zur Überprüfung der Daten.

Nachdem die Porphyrion-Jets identifiziert waren, wandte sich das Team an das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) und das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), um ihren Ursprungsort zu bestimmen. Sie entdeckten, dass die Heimat dieses supermassiven schwarzen Lochs eine schwergewichtige Galaxie war, die etwa zehnmal massereicher ist als unsere Milchstraße. Mit Hilfe des W. M. Keck-Observatoriums auf Hawaii konnten die Wissenschaftler dann feststellen, dass Porphyrion 7,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

„Was wissen wir noch über diese Galaxie und ihr zentrales Schwarzes Loch? Nicht sehr viel!“ sagte Hardcastle. „Wir wissen, dass es sich um eine massive Galaxie handelt und dass das Schwarze Loch schnell wächst, aber wir wissen nicht, warum. Im Prinzip könnten alle Schwarzen Löcher im Zentrum einer Galaxie diese Jets erzeugen, aber nur einige tun es. Herauszufinden, warum das so ist, ist eines der Hauptprobleme in diesem Bereich.“

Schwarze Löcher hatten im frühen Universum längere Essenszeiten

Daten von W.M. Keck enthüllten noch etwas anderes über Porphyrion. Das supermassereiche Schwarze Loch, aus dem es stammt, befindet sich nicht im Jet-Sprengmodus. Stattdessen befindet sich das Schwarze Loch in einem Zustand, der als Strahlungsmodus bezeichnet wird und bei dem ein Schwarzes Loch durch starke Teilchenwinde Energie verliert.

Beide Zustände werden mit „fütternden“ oder „akkretierenden“ Schwarzen Löchern in Verbindung gebracht, die sich in einer Phase befinden, in der sie aktiv Materie aus ihrer Umgebung verschlingen und dabei Energie abstrahlen. Der Strahlungsmodus war im frühen und fernen Universum häufiger anzutreffen, wo Schwarze Löcher Energie ausstrahlten, während Schwarze Löcher im Strahlungsmodus eher im späteren und lokalen Universum anzutreffen sind, und wie der Name schon sagt, bedeutet dieser Modus, dass Schwarze Löcher Energie in Form von Strahlen ausstoßen.

Das war ein Schock, denn die Astronomen hatten nicht gedacht, dass Schwarze Löcher im Strahlungsmodus so gewaltige Jets ausstoßen könnten. Der Mechanismus, der es diesen Jets ermöglichte, im turbulenten frühen Universum lange genug zu halten, um solche Längen zu erreichen, ist derzeit unbekannt. Die eine ist, dass Jets tatsächlich so lange eingeschaltet und stabil bleiben können, selbst im relativ frühen Universum. Es könnte sein, dass diese spezielle Quelle einfach die perfekten Bedingungen für ein langes Leben hatte, aber das hätten wir zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums nicht erwartet“, so Hardcastle. „Die andere Möglichkeit ist, dass diese Quellen, da sie so groß werden können, die Leere zwischen den Galaxien mit Magnetfeldern und energetischen Teilchen verschmutzen – das könnte wichtige Auswirkungen auf die Untersuchung der Geschichte der Magnetfelder im Universum haben.“

Dieser künstlerische Eindruck zeigt riesige Düsensysteme, die das Ausmaß des kosmischen Netzes erreichen, eines riesigen Netzwerks von Fäden, die Galaxien im Universum speisen und verbinden. (Bildnachweis: Martijn Oei (Caltech) / Dylan Nelson (IllustrisTNG Collaboration). Einige Details wurden mithilfe von KI erstellt).

Hardcastle fügte hinzu, dass er die Größe der gigantischen Jets so interpretiert, dass es ein ungewöhnlich langlebiges und stabiles Akkretionsereignis um das zentrale supermassive Schwarze Loch braucht, um so lange aktiv zu sein – etwa eine Milliarde Jahre – und um sicherzustellen, dass die Jets während dieser ganzen Zeit in dieselbe Richtung zeigen.

„Diese Systeme wachsen mit der Zeit. Wenn wir also eine sehr große Quelle sehen, bedeutet das, dass wir etwas sehr Altes sehen. In diesem Fall denken wir, dass der Jet seit etwa einer Milliarde Jahren eingeschaltet ist“, sagte er. „Der Forscher erklärte, dass die Quelle nicht auf diese Größe hätte anwachsen können, wenn die Jets „abgeschaltet“ worden wären oder wenn sich ihre Achse geändert hätte – was beispielsweise durch eine Verschmelzung von Schwarzem Loch und Schwarzem Loch geschehen könnte.

„Irgendetwas an dem Schwarzen Loch und der Akkretion in diesem System muss extrem stabil sein“, fügte Hardcastle hinzu. „Was wir aus der großen Anzahl von Riesen lernen, ist, dass dies ein relativ häufiges Ereignis sein muss.“

Das Düsensystem Alcyoneus, das bisher größte von der Menschheit gesehene Düsensystem (Bildnachweis: LOFAR Collaboration/WISE/NASA/JPL-Caltech/Martijn Oei (Caltech))

Die Tatsache, dass LOFAR in der Lage war, solch enorm große Jets zu entdecken, ist für das Team an sich nicht allzu schockierend.

„Wir haben eine Weile darauf hingearbeitet, denn es wurde klar, dass unsere neuen Radiodurchmusterungen viel empfindlicher waren als die vorherigen und diese schwachen und sehr ausgedehnten Quellen aufspüren konnten“, sagte er. „In gewisser Weise ist es also überhaupt nicht überraschend, dass wir unseren eigenen Rekord für das größte entdeckte Objekt gebrochen haben – aber die Implikationen für die Geschichte des Schwarzen Lochs und die Geschichte des großräumigen Magnetfelds im Universum sind trotzdem sehr interessant.“

Die nächsten Schritte des Teams werden darin bestehen, zu untersuchen, wie diese gigantischen Jets der Schwarzen Löcher ihre umgebenden Galaxien beeinflussen. Oei interessiert sich besonders für den magnetischen Einfluss dieser Jets.

„Der Magnetismus auf unserem Planeten ermöglicht das Gedeihen von Leben, deshalb wollen wir verstehen, wie er entstanden ist“, sagte er. „Wir wissen, dass der Magnetismus das kosmische Netz durchdringt, sich dann seinen Weg in Galaxien und Sterne und schließlich zu den Planeten bahnt, aber die Frage ist: Wo fängt er an? Haben diese riesigen Jets den Magnetismus im Kosmos verbreitet?“

Und wenn das Team Recht hat, sollte es im Kosmos noch viele weitere gewaltige Jets von Schwarzen Löchern geben, die untersucht werden können.

„Es könnte durchaus andere Jets von gleicher Größe oder sogar noch größer geben, die darauf warten, gefunden zu werden“, sagte Hardcastle. „Wir wissen nichts, was die Größe dieser Objekte prinzipiell einschränken könnte, und wir haben bisher nur etwa ein Achtel des Himmels mit LOFAR vermessen. Das LOFAR und andere Teleskope, wie z. B. das künftige Square Kilometer Array, werden mit ziemlicher Sicherheit noch etwas Größeres finden, bevor wir fertig sind.

„Für mich besteht das Interesse an diesen Durchmusterungen darin, die gesamte Population zu erfassen, aus der wir die Auswirkungen auf die aktive Lebensdauer aller Schwarzen Löcher in der kosmischen Zeit ableiten können.“

Die Forschungsergebnisse des Teams sind zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen worden.