Astronomen haben die Weitwinkelansicht der Dark Energy Camera genutzt, um zu bestätigen, dass Quasare, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, im frühen Universum in dichten Nachbarschaften gelebt haben. Es scheint jedoch, dass diese kosmischen Biester nicht gerade die besten Nachbarn waren.
Das Forschungsteam fand heraus, dass Quasare „laute Nachbarn“ sind, die eine Strahlung aussenden, die die Sternentstehung unterbrechen kann und damit Galaxien in ihrer unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft „tötet“. Dies hat zur Folge, dass die engsten Begleitgalaxien um einige Quasare nicht wachsen und daher zu klein und schwach sind, um sie zu sehen.
Das Team sagt, dass diese Ergebnisse über die „urbane Dichte“ von Quasaren und ihren Begleitgalaxien auch erklären könnten, warum einige frühere Studien über die Dichte des frühen Universums gezeigt haben, dass Galaxien und Quasare dicht beieinander liegen, während andere auf einen Mangel an Begleitgalaxien um Quasare hingewiesen haben.
Um ihre Studie durchzuführen, wendeten sich die Forscher dem Quasar VIK 2348-3054 zu, der etwa 12,8 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Entfernung zu diesem Quasar ist dank des Atacama Large Millimeter Array (ALMA) sehr gut definiert.
Die Dark Energy Camera (DECam), die auf dem 4-Meter-Teleskop Víctor M. Blanco am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile montiert ist, ermöglichte es dem Team, die bisher größte Suche am Himmel nach einem Quasar aus dem frühen Universum durchzuführen. Während das drei Quadratgrad große Sichtfeld von DECam einen umfassenden Überblick über die kosmische Umgebung von VIK 2348-3054 lieferte, war sein Schmalbandfilter die perfekte Ergänzung, um die Begleitgalaxien des Quasars genauer zu betrachten.
„Diese Quasar-Studie war wirklich der perfekte Sturm“, sagte Teamleiter Trystan Lambert, ein Postdoc-Forscher an der University of Western Australia, einem Knotenpunkt des International Center for Radio Astronomy Research (ICRAR), in einer Erklärung. „Wir hatten einen Quasar mit einer bekannten Entfernung, und DECam am Blanco-Teleskop bot das riesige Sichtfeld und den genauen Filter, den wir brauchten.“
Frühe Quasare hatten gut gefüllte Speisekammern
Quasare gehören zu den hellsten Lichtquellen im bekannten Universum und überstrahlen oft das kombinierte Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien. Der Motor dieser Emissionen sind zentrale supermassive Schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen Mal größer ist als die der Sonne.
Wie jeder Motor brauchen auch diese kosmischen Monster Treibstoff. Bei Quasaren geschieht dies in Form von Gas und Staub, die um das jeweilige Schwarze Loch herumwirbeln und als „Akkretionsscheibe“ bezeichnet werden, die nach und nach die Hohlräume füllt. Der enorme Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs verursacht eine enorme Reibung in der Akkretionsscheibe, wodurch dieses Material überhitzt wird und Plasma und intensive elektromagnetische Strahlung entsteht, die die Emissionen des Quasars bilden.
Schwarze Löcher sind allerdings unordentliche Fresser. Ein Teil des Materials wird durch starke Magnetfelder zu ihren Polen gelenkt, wo es auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als kollimierte Plasmastrahlen herausgeschleudert wird. Um ihre starken Emissionen zu ermöglichen und damit ihre supermassereichen Schwarzen Löcher im relativ frühen Universum zu enormen Größen heranwachsen können, müssen Quasare daher von einer Fülle von Material umgeben sein, von dem sie sich ernähren können.
Die notwendigerweise hohe Fütterungsrate hat viele Astronomen zu der Annahme veranlasst, dass sich Quasare in einigen der dichtesten Regionen des Universums befinden müssen, wo viel Gas vorhanden ist. Verwirrenderweise haben die Beobachtungen diese Idee jedoch nicht immer bestätigt.
Ein Bild des James Webb Weltraumteleskops vom Quasar J0148. (Bildnachweis: NASA/Yue, et al)Um dies zu untersuchen, zählten Lambert und Kollegen Begleitgalaxien in der Umgebung von VIK J2348-3054, indem sie eine bestimmte Emission, die Lyman-Alpha-Strahlung, maßen. Dabei handelt es sich um eine Signatur einer Form von Wasserstoff, dem durch hohe Temperaturen Elektronen entzogen wurden. Elektronen und Wasserstoffkerne rekombinieren dann, wobei die zuvor ionisierten Wasserstoffatome einige Elektronen zurückbekommen. Dies ist ein typisches Anzeichen für Sternentstehung und deutet somit auf jüngere und kleinere Galaxien hin, die Sternkörper gebären.
Lyman-Alpha-Strahlung ist ein guter Bestimmungsfaktor für die Rotverschiebung, d. h. die Änderung der Lichtfrequenz, die wir feststellen, wenn sich eine Lichtquelle von unserem Standpunkt im Universum entfernt. Das bedeutet, dass sie eine gute Möglichkeit ist, die Entfernung zu diesen kleinen, jungen Galaxien zu bestimmen. Diese Messungen können dann verwendet werden, um ein dreidimensionales Modell der Region um einen Quasar zu erstellen.
Auf diese Weise fand das Team für den Quasar VIK J2348-3054 38 Begleitgalaxien in einer Entfernung von bis zu 60 Millionen Lichtjahren, was auf eine dichte Region im Weltraum hinweist. Zur Überraschung von Lambert und seinen Kollegen fanden sie aber auch keine Begleitgalaxien in einer Entfernung von 15 Millionen Lichtjahren vom Quasar.Das könnte erklären, warum frühere Forschungen, die die Umgebung von Quasaren untersuchten, widersprüchliche Dichteergebnisse lieferten. Denn Forschungen, die auf leeren Raum um Quasare hinwiesen, haben sich möglicherweise auf die unmittelbaren Regionen um diese supermassiven schwarzen Löcher konzentriert. Diese Regionen wären mit den nicht nachweisbaren Galaxien bevölkert gewesen, die durch die Sternentstehung abgeschwächt sind. Umgekehrt wurde bei Untersuchungen, die überfüllte Regionen um Quasare zeigten, zwar das Gesamtbild betrachtet, aber nicht auf die unmittelbare Umgebung der Quasare gezoomt. DECam lieferte ein klareres Bild, da es die bisher einzige Studie ermöglichte, die Daten von großen Gebieten zu kleinen Gebieten enthielt.
„Der extrem weite Blick der DECam ist notwendig, um Quasar-Nachbarschaften gründlich zu untersuchen. Man muss sich wirklich auf ein größeres Gebiet einlassen“, sagte Lambert. „Das ist eine vernünftige Erklärung dafür, warum frühere Beobachtungen im Widerspruch zueinander stehen.“
Die Forscher vermuten, dass sie den Grund für den scheinbaren Mangel an Begleitgalaxien in unmittelbarer Nähe dieses Quasars kennen. Sie vermuten, dass dies auf die intensive Strahlung des Quasars zurückzuführen ist, die die Sternentstehung hemmt und somit das Wachstum der Galaxien in unmittelbarer Nähe abtötet. Das bedeutet, dass diese Galaxien wahrscheinlich da sind, aber einfach zu klein und zu schwach, um sie zu sehen.
„Einige Quasare sind keine stillen Nachbarn“, schloss Lambert. „Sterne in Galaxien bilden sich aus Gas, das kalt genug ist, um unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren. Leuchtende Quasare können möglicherweise so hell sein, dass sie dieses Gas in nahe gelegenen Galaxien beleuchten und aufheizen, um diesen Kollaps zu verhindern.“
Die Forschungsergebnisse des Teams werden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
