Eine Illustration zeigt die Magnetfelder eines frühen supermassiven schwarzen Lochs, das die Sternentstehung antreibt.(Bildnachweis: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University)
„Was war zuerst da, die Galaxie oder ihr monströses Schwarzes Loch?“
Technisch gesehen handelt es sich um ein noch älteres Rätsel als die Frage nach dem Huhn oder dem Ei – obwohl wir uns dessen erst seit relativ kurzer Zeit bewusst sind. Und nach neuen Forschungsergebnissen haben Wissenschaftler vielleicht endlich eine Antwort.
Supermassive Schwarze Löcher, die kurz vor Anbeginn der Zeit existierten, haben, so wird seit langem angenommen, die Galaxien um sie herum geformt, die Sternentstehungsrate der Galaxien beschleunigt und damit die Entwicklung des gesamten Universums beeinflusst. Eine neue Analyse von Daten des James Webb Space Telescope (JWST) deutet nun darauf hin, dass diese schwarzen Löcher während der ersten 50 Millionen Jahre unseres 13,8 Milliarden Jahre alten Universums vorhanden gewesen sein könnten und die Sternentstehung in einem so frühen Alter angetrieben haben.
Die Ergebnisse könnten die Vorstellung in Frage stellen, dass sich schwarze Löcher erst nach der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien gebildet haben.
„Wir wissen, dass diese Monster-Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien in der Nähe unserer Milchstraße existieren, aber die große Überraschung ist jetzt, dass sie auch am Anfang des Universums vorhanden waren und fast wie Bausteine oder Samen für frühe Galaxien waren“, sagte Joseph Silk, Teamleiter und Professor an der Johns Hopkins University, in einer Erklärung. „Sie haben wirklich alles angekurbelt, wie gigantische Verstärker der Sternentstehung, was eine völlige Umkehrung dessen ist, was wir bisher für möglich hielten – so sehr, dass dies unser Verständnis davon, wie sich Galaxien bilden, völlig umkrempeln könnte.“
Silk weist auf die Tatsache hin, dass ferne und frühe Galaxien, die das JWST seit dem Beginn der Datenübertragung zur Erde im Sommer 2022 untersucht, heller sind als erwartet.
Das deutet darauf hin, dass die Galaxien bereits mit einer ungewöhnlich hohen Anzahl von Sternen und supermassiven schwarzen Löchern gefüllt sind; wenn das stimmt, würde das bedeuten, dass unsere derzeitigen Theorien über die Entstehung von Galaxien möglicherweise überarbeitet werden müssen.
„Wir argumentieren, dass die Ausströmungen der Schwarzen Löcher Gaswolken zerdrücken, sie in Sterne verwandeln und die Sternentstehungsrate stark beschleunigen“, so Silk. „Andernfalls ist es sehr schwer zu verstehen, woher diese hellen Galaxien kommen, da sie im frühen Universum typischerweise kleiner sind. Warum in aller Welt sollten sie so schnell Sterne bilden?“
Die derzeit am weitesten akzeptierten Theorien zur kosmischen Entwicklung gehen davon aus, dass Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden, als den massereichen Sternen der für die Kernfusion benötigte Brennstoff ausging. Diese Sterne wiederum wären in späteren Epochen des Universums kollabiert und hätten schwarze Löcher erzeugt. Das bedeutet, dass die schwarzen Löcher nach der Entstehung der Sterne, aus denen sie entstanden sind, und vor der ersten Ansammlung von Galaxien entstanden sein müssen. Silk und seine Kollegen haben jedoch herausgefunden, dass schwarze Löcher und Galaxien im alten Universum nebeneinander existiert haben und sich bereits 100 Millionen Jahre nach dem Urknall gegenseitig beeinflusst haben. Diese Zeitspanne, so Silk, entspräche lediglich den ersten Januartagen, wenn man die Geschichte des Universums auf ein Kalenderjahr verdichten würde.
Inhaltsübersicht
Zerschlagen im frühen Universum
Der immense Gravitationseinfluss von Schwarzen Löchern bedeutet, dass nichts (nicht einmal Licht) seiner äußeren Grenze, dem sogenannten Ereignishorizont, entkommen kann. Für uns bedeutet das, dass wir das, was hinter dieser Grenze liegt, nicht direkt sehen können.
Aber jenseits des Ereignishorizonts geschehen noch Dinge. Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist immer noch stark genug, um gewalttätige Bedingungen für die umgebende Materie zu schaffen, die das Pech hat, zu nahe an den Ereignishorizont zu fallen, wodurch sie erhitzt wird und hell leuchtet. Diese Materie kann verschluckt oder zu den Polen des Schwarzen Lochs gelenkt werden, wo sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Form von Strahlen oder Winden herausgeschleudert wird.
Schwarze Löcher, die sich aktiv von Materie ernähren, können so genannte aktive galaktische Kerne (AGN) antreiben, oder Regionen in Galaxien, die das Licht aller Sterne in den Galaxien selbst überstrahlen können.
Silk glaubt, dass die Tatsache, dass Schwarze Löcher auf diese Weise wie „kosmische Teilchenbeschleuniger“ wirken, es dem JWST ermöglichte, so viele im frühen Universum zu entdecken.
„Wir können diese heftigen Winde oder Jets in der Ferne nicht sehen, aber wir wissen, dass sie vorhanden sein müssen, weil wir viele schwarze Löcher in der Frühzeit des Universums sehen“, erklärt Silk. „Diese enormen Winde, die von den schwarzen Löchern ausgehen, zerquetschen Gaswolken in der Nähe und verwandeln sie in Sterne. Das ist das fehlende Glied, das erklärt, warum diese ersten Galaxien so viel heller sind, als wir erwartet haben.“
Eine künstlerische Darstellung des aktiven galaktischen Kerns zeigt seine hellen Emissionen, die erklären könnten, warum das JWST so viele helle frühe Galaxien gesehen hat. (Bildnachweis: ESA/NASA, das AVO-Projekt und Paolo Padovani)
Das Universum durchlief eine Phase (oder zwei)
Das Team, das hinter dieser Forschung steht, geht davon aus, dass das frühe Universum zwei verschiedene Phasen hatte. In der ersten Phase hätten Hochgeschwindigkeitsausströmungen von Schwarzen Löchern die Geburt von Sternen beschleunigt. Die zweite Phase begann, als diese Ausströmungen abebbten.
Als das Universum einige hundert Millionen Jahre alt war, wurden massive Gaswolken durch intensive magnetische Stürme, die von supermassiven schwarzen Löchern verursacht wurden, zum Kollaps gezwungen. Dies hätte eine neue Periode intensiver und schneller Sternentstehung ausgelöst, die die Sternentstehungsraten modernerer Galaxien bei weitem übertraf.
Die Sternentstehung wäre dann gestoppt worden, weil die massiven Ausströmungen der supermassiven schwarzen Löcher in einen Zustand übergegangen wären, in dem die Energie erhalten geblieben wäre, wodurch die Gaszufuhr in den Galaxien, in denen Sterne entstehen könnten, abgeschnitten worden wäre.
„Wir dachten, dass sich Galaxien am Anfang bildeten, als eine riesige Gaswolke kollabierte“, erklärte Silk. „Die große Überraschung ist, dass es in der Mitte dieser Wolke einen Keim gab – ein großes schwarzes Loch -, das dazu beitrug, dass sich der innere Teil der Wolke schnell in Sterne verwandelte, und zwar viel schneller, als wir je erwartet hatten. Und so sind die ersten Galaxien unglaublich hell.“
Das Team ist nicht nur der Meinung, dass zukünftige JWST-Daten genauere Zählungen der frühen Sterne und supermassiven schwarzen Löcher liefern könnten, die die neue Theorie bestätigen, sondern die Forscher glauben auch, dass das 10 Milliarden Dollar teure Weltraumteleskop einige Antworten auf grundlegende Fragen liefern kann, die näher an unserem Zuhause liegen.
„Die große Frage ist, wie unsere Anfänge aussahen. Die Sonne ist nur einer von 100 Milliarden Sternen in der Milchstraßengalaxie, und in der Mitte befindet sich ein riesiges schwarzes Loch. Was ist die Verbindung zwischen diesen beiden?“ Silk schloss. „In einem Jahr werden wir viel bessere Daten haben und viele unserer Fragen werden Antworten bekommen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Januar in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
