Ein supermassereiches Schwarzes Loch, das von einer glühenden Scheibe aus Gas und Staub umgeben ist.(Bildnachweis: Emanuela Tortosa)
Wissenschaftler haben Beweise dafür gefunden, dass Schwarze Löcher, die weniger als 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten, den Gesetzen der Physik getrotzt haben und zu monströsen Größen angewachsen sein könnten. Diese Entdeckung könnte eines der größten Rätsel der Weltraumforschung lösen: Wie konnten supermassereiche schwarze Löcher im frühen Universum so schnell so groß werden?
Supermassive Schwarze Löcher mit einer millionen- oder sogar milliardenfachen Sonnenmasse befinden sich im Herzen aller großen Galaxien. Man nimmt an, dass sie durch eine Kette von Verschmelzungen zwischen immer größeren schwarzen Löchern sowie manchmal auch durch das Auffressen der sie umgebenden Materie entstehen. Solche sich ernährenden supermassereichen Schwarzen Löcher bewirken, dass die sie umgebende Materie (in abgeflachten Wolken, den so genannten „Akkretionsscheiben“) so hell leuchtet, dass sie noch in großer Entfernung zu sehen ist. Solche hellen Objekte werden als „Quasare“ bezeichnet und können das kombinierte Licht aller Sterne in den Galaxien, in denen sie leben, überstrahlen.
Das bedeutet, dass die Beobachtung von Quasaren, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall erfolgt, wie es das James Webb Space Telescope (JWST) getan hat, für die Wissenschaftler ein massives Problem (oder sogar ein supermassives?) darstellt, das es zu lösen gilt.
Um dieses Rätsel zu lösen, untersuchte ein Forscherteam mit den Weltraumteleskopen XMM-Newton und Chandra 21 der frühesten Quasare, die jemals im Röntgenlicht entdeckt wurden. Sie fanden heraus, dass diese supermassereichen Schwarzen Löcher, die sich in einer frühen universellen Epoche, der „kosmischen Dämmerung“, gebildet haben, durch intensive Nahrungsaufnahme, die so genannte „Akkretion“, schnell zu monströsen Massen angewachsen sein könnten.
Die Ergebnisse könnten letztlich erklären, wie supermassive schwarze Löcher als Quasare im frühen Universum existierten.
„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass die supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren der ersten Quasare, die sich in den ersten Milliarden Jahren des Universums gebildet haben, ihre Masse tatsächlich sehr schnell erhöht haben könnten, was die Grenzen der Physik sprengt“, sagte Alessia Tortosa, die die Forschung leitete und Wissenschaftlerin am Italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) ist, in einer Erklärung.
Die schnelle Fütterung, der diese frühen supermassiven schwarzen Löcher zu frönen schienen, wird aufgrund einer Regel namens „Eddington-Limit“ als gesetzeswidrig angesehen.
Die Antwort weht im Wind
Das Eddington-Limit besagt, dass es für jeden Körper im Weltraum, der Materie akkretiert, eine maximale Leuchtkraft gibt, die erreicht werden kann, bevor der Strahlungsdruck des erzeugten Lichts die Schwerkraft überwindet und Material wegdrückt, so dass dieses Material nicht mehr in den akkretierenden Körper fällt.
Mit anderen Worten, ein schnell fressendes Schwarzes Loch sollte so viel Licht aus seiner Umgebung erzeugen, dass es seine eigene Nahrungsversorgung abschneidet und sein eigenes Wachstum stoppt.
Die Ergebnisse dieses Teams legen nahe, dass die Eddington-Grenze definiert werden kann und dass supermassereiche Schwarze Löcher in eine Phase der „Super-Eddington-Akkretion“ eintreten könnten. Der Beweis für dieses Ergebnis ergab sich aus einem Zusammenhang zwischen der Form des von diesen Quasaren emittierten Röntgenspektrums und den Geschwindigkeiten der starken Materiewinde, die von ihnen ausgehen und Tausende von Kilometern pro Sekunde erreichen können.
Eine Illustration zeigt starke Materiewinde, die von einem frühen supermassiven Schwarzen Loch ausgehen. (Bildnachweis: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University)
Diese Verbindung deutete auf einen Zusammenhang zwischen den Windgeschwindigkeiten von Quasaren und der Temperatur des röntgenemittierenden Gases hin, das sich am nächsten zum zentralen Schwarzen Loch des jeweiligen Quasars befindet. Quasare mit niederenergetischer Röntgenemission und damit kühlerem Gas schienen sich schneller zu bewegen. Hochenergetische Röntgenquasare hingegen schienen sich langsamer zu bewegen.
Da die Temperatur des Gases in der Nähe des Schwarzen Lochs mit den Mechanismen zusammenhängt, die es ihm ermöglichen, Materie zu akkretieren, deutet diese Situation auf eine Super-Eddington-Phase für supermassive Schwarze Löcher hin, in der sie sich intensiv ernähren und daher schnell wachsen. Dies könnte erklären, wie supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sind, bevor der Kosmos 1 Milliarde Jahre alt war.
„Die Entdeckung dieses Zusammenhangs zwischen Röntgenemission und Winden ist entscheidend für das Verständnis, wie sich so große Schwarze Löcher in so kurzer Zeit gebildet haben, und bietet damit einen konkreten Anhaltspunkt für die Lösung eines der größten Rätsel der modernen Astrophysik“, so Tortosa.
Die vom Team verwendeten XMM-Newton-Daten wurden zwischen 2021 und 2023 im Rahmen des mehrjährigen XMM-Newton-Erbe-Programms unter der Leitung des INAF-Forschers Luca Zappacosta und des HYPERION-Projekts gesammelt, dessen Ziel es ist, hyperleuchtende Quasare in der kosmischen Frühzeit des Universums zu untersuchen.
„Für das HYPERION-Programm haben wir uns auf zwei Schlüsselfaktoren konzentriert: zum einen auf die sorgfältige Auswahl der zu beobachtenden Quasare, wobei wir Titanen ausgewählt haben, d. h. solche, die die größtmögliche Masse angesammelt haben, und zum anderen auf die eingehende Untersuchung ihrer Eigenschaften im Röntgenlicht, die noch nie zuvor an so vielen Objekten in der kosmischen Dämmerung durchgeführt wurde“, so Zappacosta in der Erklärung. „Die Ergebnisse, die wir erhalten, sind wirklich unerwartet und deuten alle auf einen Wachstumsmechanismus vom Super-Eddington-Typ für Schwarze Löcher hin.
„Ich würde sagen, wir haben den Jackpot geknackt!“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (20. November) in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
