Ein doppelter Quasar, der auf eine große Verschmelzung zusteuert, wurde entdeckt und erhellt die „kosmische Dämmerung“, nur 900 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Es handelt sich um das erste Quasarpaar, das so weit zurück in der kosmischen Zeit entdeckt wurde.
Quasare sind schnell wachsende supermassive schwarze Löcher in den Kernen hyperaktiver Galaxien. Ströme von Gas werden in den Rachen der schwarzen Löcher geschleudert und bleiben im Engpass einer Akkretionsscheibe hängen, einem dichten Ring aus ultraheißem Gas, das darauf wartet, in das schwarze Loch zu fallen. Nicht alles fällt hinein; die Magnetfelder der rotierenden Akkretionsscheibe sind in der Lage, viele geladene Teilchen aufzupeitschen und sie in Form von zwei Jets, die mit fast Lichtgeschwindigkeit davonfliegen, in den Weltraum zurückzuschicken. Die Jets und die Akkretionsscheibe zusammen lassen den Quasar sehr hell erscheinen, sogar über Milliarden von Lichtjahren hinweg.
Diese Illustration zeigt zwei Quasare, die gerade verschmelzen. Mit Hilfe des Gemini-Nord-Teleskops und des Subaru-Teleskops hat ein Team von Astronomen ein Paar verschmelzender Quasare entdeckt, das nur 900 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen war. Dies ist nicht nur das am weitesten entfernte Paar verschmelzender Quasare, das je gefunden wurde, sondern auch das erste bestätigte Paar, das in der Periode des Universums gefunden wurde, die als kosmische Morgendämmerung bekannt ist. (Bildnachweis: Internationales Gemini-Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick)
Da jede große Galaxie ein monströses Schwarzes Loch als dunkle Hitze besitzt, werden bei der Kollision und Verschmelzung von Galaxien schließlich auch ihre supermassiven Schwarzen Löcher mitgerissen. In der kosmischen Morgendämmerung – das sind die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte, als Sterne und Galaxien zum ersten Mal auf der Bildfläche erschienen – war das sich ausdehnende Universum kleiner als heute, und deshalb standen die Galaxien näher beieinander und verschmolzen häufiger. Doch während in den ersten Milliarden Jahren des Universums bisher über 330 einzelne Quasare entdeckt wurden, blieb die erwartete große Anzahl von Doppelquasaren bisher aus – bis jetzt.
Der neu entdeckte Doppelquasar J121503.42-014858.7 und J121503.55-014859.3 – von ihren Entdeckern als C1 und C2 bezeichnet – wurde von einem Team unter der Leitung von Yoshiki Matsuoka von der Ehime-Universität in Japan mit dem Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea auf Hawaii entdeckt.
Die Astronomen verfolgten die Entdeckung spektroskopisch mit der Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) auf Subaru und dem Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) auf dem Gemini North-Teleskop, das sich ebenfalls auf dem Mauna Kea befindet.
„Was wir aus den GNIRS-Beobachtungen gelernt haben, ist, dass die Quasare zu schwach sind, um sie im nahen Infrarot zu entdecken, selbst mit einem der größten Teleskope am Boden“, sagte Matsuoka in einer Erklärung.
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Nach einer Reise von 12,9 Milliarden Jahren wurde das Licht der Quasare durch die kosmische Expansion rotverschoben und auf längere Wellenlängen gestreckt, so dass das Licht, das als Röntgenstrahlung oder Ultraviolett begann, schließlich im roten und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums endet. Das Licht der Quasare sollte im nahen Infrarot nachweisbar sein, aber die Tatsache, dass sie bei dieser Wellenlänge schwach sind, bedeutet, dass ein großer Teil ihres Lichts bei anderen Wellenlängen liegt, die durch die verstärkte Sternbildung in den Galaxien, die die Quasare beherbergen, erzeugt werden.
Die verstärkte Sternentstehung, die für C1 und C2 auf 100 bis 550 Sonnenmassen pro Jahr geschätzt wird (im Vergleich zu 1 bis 10 Sonnenmassen pro Jahr in unserer Milchstraßengalaxie), ist ein häufiges Symptom von Galaxienverschmelzungen, da durch die Wechselwirkung molekulares Wasserstoffgas aufgewirbelt und zur Bildung neuer Sterne angeregt wird.
Die beiden Schwarzen Löcher haben sich außerdem bis auf 40.000 Lichtjahre (12.000 Parsec) aneinander angenähert. Dies ist zwar immer noch eine große Entfernung, aber Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile haben eine Gasbrücke zwischen C1 und C2 gefunden, die diese Entfernung überspannt. Bereits jetzt sind die beiden Schwarzen Löcher miteinander verbunden, und diese Verbindung wird nur noch stärker werden, wenn sie sich weiter annähern.
Die Existenz von C1 und C2 ist ein weiterer Beweis dafür, dass Galaxien und ihre schwarzen Löcher während der Ära der kosmischen Morgendämmerung schnell wuchsen und eine immense Größe und Masse erreichten, was unsere Modelle über ihre Entstehung in Frage stellt. Die Schwarzen Löcher haben jeweils eine Masse, die etwa 100 Millionen Mal so groß ist wie die unserer Sonne, also riesig; Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, ist im Vergleich dazu winzig, mit einer Masse von nur 4,1 Millionen Sonnenmassen. Außerdem haben die Wirtsgalaxien von C1 und C2 eine Gesamtmasse von 90 Milliarden bzw. 50 Milliarden Sonnenmassen, was zwar deutlich weniger ist als die Milchstraße, aber für die damalige Zeit dennoch gigantisch ist.
Die Entdeckung dieses Doppelquasars und seiner Wirtsgalaxien liefert somit wichtige Daten für ein besseres Verständnis des frühen Universums und insbesondere der Epoche der Reionisation, als der größte Teil des Gases im Universum durch die Strahlung der ersten Sterne, Galaxien und Quasare ionisiert wurde und das kosmische Dunkelzeitalter endete. Eines der großen Rätsel der Kosmologie ist, welches dieser drei Dinge am meisten zur Reionisation beigetragen hat.
„Die statistischen Eigenschaften von Quasaren in der Epoche der Reionisation geben uns Aufschluss über den Verlauf und den Ursprung der Reionisation, die Bildung supermassereicher schwarzer Löcher während der kosmischen Dämmerung und die früheste Entwicklung der Quasar-Wirtsgalaxien“, so Matsuoka.
Wir sehen diese beiden Quasare so, wie sie vor etwa 12,9 Milliarden Jahren waren. Was ist seitdem aus ihnen geworden? Simulationen deuten darauf hin, dass die beiden schwarzen Löcher irgendwann in einem Ausbruch von Gravitationswellen verschmelzen werden. Dadurch wird der kombinierte Quasar noch heller leuchten und die Sternentstehungsrate in der fusionierten Galaxie auf über 1.000 Sonnenmassen pro Jahr ansteigen, wodurch eine der extremsten Galaxien im Universum entsteht. Letztendlich könnte sie zu einer der riesigen elliptischen Galaxien im Herzen eines massiven Galaxienhaufens werden, wie etwa M87 im Virgo-Haufen.
Die Ergebnisse wurden am 5. April in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht, zusammen mit einem Begleitartikel, der die ALMA-Messungen erläutert.
