Eine Illustration zeigt sieben „Little Red Dot“-Galaxien, die in das kosmische Netz eingebettet sind, von denen eine von einem supermassiven schwarzen Loch dominiert wird (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen weit entfernte, übermäßig massive supermassive schwarze Löcher im frühen Universum entdeckt. Die schwarzen Löcher scheinen im Vergleich zur Masse der Sterne in den Galaxien, die sie beherbergen, viel zu massiv zu sein.
Im modernen Universum haben supermassive Schwarze Löcher in Galaxien, die unserer Milchstraße nahe sind, eine Masse, die etwa 0,01 % der Sternenmasse ihrer Wirtsgalaxie entspricht. Auf 10.000 Sonnenmassen, die den Sternen in einer Galaxie zugeschrieben werden, kommt also etwa eine Sonnenmasse eines zentralen supermassiven schwarzen Lochs.
In der neuen Studie haben die Forscher statistisch berechnet, dass supermassive schwarze Löcher in einigen der frühen Galaxien, die von JWST beobachtet wurden, eine Masse von 10 % der Sternmasse ihrer Galaxien haben. Das bedeutet, dass auf 10.000 Sonnenmassen an Sternen in jeder dieser Galaxien 1.000 Sonnenmassen eines supermassiven schwarzen Lochs kommen.
„Die Masse dieser supermassiven Schwarzen Löcher ist im Vergleich zur Sternenmasse der Galaxien, die sie beherbergen, sehr hoch“, so Teamleiter Jorryt Matthee, Wissenschaftler am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), gegenüber kosmischeweiten.de. „Unsere Messungen deuten darauf hin, dass die Masse der supermassiven Schwarzen Löcher in den von uns untersuchten Galaxien 10 % der stellaren Masse beträgt.“
„Im extremsten Fall würde dies bedeuten, dass die schwarzen Löcher 1.000 Mal zu schwer sind.“
Die Entdeckung könnte die Astronomen einen Schritt näher an die Lösung des Rätsels bringen, wie supermassive schwarze Löcher mit einer millionen- oder gar milliardenfachen Sonnenmasse im frühen Universum so schnell wachsen konnten.
„Anstatt diese Entdeckung als ‚beunruhigend‘ zu bezeichnen, würde ich sie als ‚vielversprechend‘ bezeichnen, da die große Diskrepanz darauf hindeutet, dass wir dabei sind, etwas Neues zu lernen“, fügte Matthee hinzu.
Inhaltsübersicht
Die Geschichte beginnt mit kleinen roten Punkten
Seitdem das JWST im Sommer 2022 begonnen hat, Daten zur Erde zu senden, hat das 10-Milliarden-Dollar-Teleskop den Astronomen geholfen, ihr Verständnis des frühen Kosmos zu verfeinern.
Dazu gehört auch die Entdeckung supermassereicher schwarzer Löcher mit Millionen von Sonnenmassen, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Dies ist problematisch, da Wissenschaftler davon ausgehen, dass die Verschmelzungsketten immer größerer schwarzer Löcher und das unersättliche Auffressen der sie umgebenden Materie, die schwarze Löcher zu supermassiven Größen führen, mehr als eine Milliarde Jahre dauern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Untersuchung des frühen Universums durch JWST war die Entdeckung von „kleinen roten Punktgalaxien“, von denen einige bereits 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten, als das Universum etwa 11 % seines heutigen Alters hatte. Die rote Färbung dieser überraschend hellen frühen Galaxien stammt vermutlich von Gas und Staub in einer abgeflachten Materiewolke um supermassereiche Schwarze Löcher, einer so genannten Akkretionsscheibe. Wenn sich die riesigen schwarzen Löcher von dieser Materie ernähren, strahlen sie riesige Mengen an elektromagnetischer Energie aus einer kompakten Region ab, die als aktiver galaktischer Kern (AGN) bekannt ist.
„In den Jahren 2023 und 2024 entdeckten wir und andere Gruppen in den ersten Datensätzen des JWST eine bisher verborgene Population von AGNs im frühen Universum“, sagte Matthee. „Das Licht, das wir von diesen Objekten sehen, insbesondere das rötliche Licht, stammt von Akkretionsscheiben um supermassereiche schwarze Löcher.
„Diese Objekte wurden als ‚kleine rote Punkte‘ bekannt, weil sie auf den JWST-Bildern so erscheinen.“
Diese frühe galaktische Population ist derzeit sehr spannend, wenn auch noch nicht ausreichend erforscht. Zum Beispiel scheinen die kleinen roten Punkte im frühen Universum viel zahlreicher zu sein als die bisher bekannten Populationen von AGNs, die von der Erde aus als Quasare mit supermassiven schwarzen Löchern gesehen werden.
Ein Bild zeigt sechs der „Little Red Dot“-Galaxien, die von JWST im frühen Universum gesehen wurden. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College))
„Die kleinen roten Punkte zeigen auch einige sehr bemerkenswerte Eigenschaften, wie die Schwäche der Röntgenemission, die für AGNs ziemlich ungewöhnlich ist, und die Infrarotemission ist ebenfalls ungewöhnlich“, sagte Matthee. „Aufgrund dieser Komplikationen haben wir Schwierigkeiten, das Licht zu interpretieren, das wir von den kleinen roten Punkten beobachten, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, ihre Eigenschaften zu untersuchen.“
An dieser Stelle setzt die neue Arbeit von Matthee und Kollegen an. Mithilfe eines Datensatzes aus der JWST-Durchmusterung des Jahres 2 (Zyklus 2) „All the Little Things (ALT)“ erstellte das Team eine präzise 3D-Karte aller Galaxien in einer bestimmten Himmelsregion.
„Innerhalb dieser Region haben wir sieben kleine rote Punkte identifiziert, ähnlich wie in früheren Studien, aber jetzt konnten wir die Positionen dieser kleinen roten Punkte in der 3D-Galaxienkarte vergleichen“, sagte Matthee.
Die kleinen roten Punkte des Teams sind so weit entfernt, dass ihr Licht schon seit etwa 12,5 Milliarden Jahren zu uns unterwegs ist. Sie sind im so genannten kosmischen Netz von Galaxien gebündelt, wobei ihre Positionierung von größter Bedeutung ist.
Galaxien mit kleinen roten Punkten sind Häppchen in einem kosmischen Netz
Die Position der Galaxien im kosmischen Netz hängt von der Art der Galaxie ab. Höher entwickelte, massereiche Galaxien befinden sich in Regionen mit hoher Dichte, z. B. an den Knotenpunkten, an denen sich die Stränge des Netzes verbinden. Jüngere und massearme Galaxien befinden sich eher in weniger dichten Regionen des kosmischen Netzes, entlang der Länge der einzelnen Stränge abseits der Knotenpunkte.
„Wir haben herausgefunden, dass sich die kleinen roten Punkte in Umgebungen befinden, die jungen, massearmen Galaxien ähneln“, sagte Matthee. „Das bedeutet, dass die kleinen roten Punkte ebenfalls junge Galaxien mit geringer Masse sind.“
Die Tatsache, dass diese kleinen roten Punktgalaxien AGNs enthalten, hat den Beweis erbracht, dass frühe Schwarze Löcher in Galaxien mit Sternmassen, die nur etwa 100 Millionen Mal so groß sind wie die der Sonne, aktiv wachsen.
Eine Illustration zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer Region, die AGN genannt wird (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass supermassive schwarze Löcher im frühen Universum viel effizienter entstehen und wachsen konnten als die im heutigen Universum. Dies könnte auf den schnelleren Verbrauch von Gas und Materie in der Umgebung zurückzuführen sein.
„Meiner Meinung nach ist die wahrscheinlichste Erklärung das extrem schnelle Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher, das durch die hohen Gasdichten der Galaxien im frühen Universum begünstigt wurde“, so Matthee. „Diese Dichten führen gleichzeitig zu hohen Sterndichten, was die Bildung supermassereicher schwarzer Löcher fördert, indem es unkontrollierte Kollisionen von übriggebliebenen schwarzen Löchern erleichtert.“
Wenn das stimmt, dann sind die Bildung von Sternen und supermassiven schwarzen Löchern in Galaxien untrennbar miteinander verbunden, da diese Prozesse voneinander abhängen. Obwohl supermassereiche Schwarze Löcher in frühen Galaxien schneller wachsen, holt die Sternentstehung auf, was zu dem heute beobachteten Massenverhältnis von 1:100 führt.
Dies bestätigt noch nicht die Theorie des schnellen Wachstums gegenüber anderen Erklärungen für das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher, wie z. B. die Idee, dass diese kosmischen Titanen aus massiven Schwarzen Löchern entstehen, die durch den direkten Kollaps riesiger Gas- und Staubwolken erzeugt werden.
Matthee fügte jedoch hinzu, dass es für Theoretiker nun schwierig sein wird, die niedrigen Massen der Wirtsgalaxien zu umgehen, wenn konkurrierende Theorien in Betracht gezogen werden.
Matthee erklärte, dass die nächsten Schritte sowohl für das Team als auch für die breitere astronomische Gemeinschaft darin bestehen, die Möglichkeit auszuschließen, dass das von ihnen gefundene Verhältnis zwischen Sternmasse und Masse des Schwarzen Lochs nicht das Ergebnis ungenauer Messungen oder einer Auswahlverzerrung ist, die möglicherweise die aktivsten und daher massereichsten supermassiven Schwarzen Löcher begünstigt hat.
Dies wird wahrscheinlich die Entdeckung weiterer kleiner Rotpunktgalaxien erfordern, eine Suche, bei der das JWST zweifellos eine zentrale Rolle spielen wird.
„Das JWST ist vor allem aus zwei Gründen wichtig: Ohne es hätten wir diese Populationen schwacher AGNs nicht entdeckt“, so Matthee abschließend. „Ohne das JWST wären wir auch nicht in der Lage gewesen, die genaue 3D-Karte der Galaxienverteilung zu erstellen, die wir benutzt haben, um die Eigenschaften der Galaxien, die die schwachen AGNs beherbergen, zu bestimmen.
„Es ist derzeit ein sehr spannendes Forschungsgebiet!“
Die Forschungsarbeit des Teams wurde noch nicht in einer von Fachleuten begutachteten Zeitschrift veröffentlicht. Sie wurde auf der Website arXiv veröffentlicht.
