Die kleinen roten Punkte könnten Galaxien darstellen, die sich in einer Entwicklungsphase befinden, die der leuchtenden Quasar-Phase vorausgeht, und somit den Forschern helfen, die Entstehung und die Rolle supermassereicher schwarzer Löcher in fernen Galaxien zu verstehen.(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zürich), D. Kashino (National Observatory of Japan), S. Lilly (ETH Zürich))
Die aufregendsten Nachrichten über Schwarze Löcher betreffen in der Regel die größten, schlimmsten und gewalttätigsten Hohlräume, die wir uns vorstellen können. Ich spreche von den supermassiven schwarzen Löchern, die die Milliardenfache Masse der Sonne haben; die sogenannten Quasare, die die sie umgebende Materie auffressen und den Überschuss so aggressiv ausspucken, dass sie Lichtmuster erzeugen, die sogar die Galaxien überstrahlen, in denen sie leben. Du kennst sie.
Am Donnerstag (7. März) haben Wissenschaftler jedoch eine Studie veröffentlicht, die uns daran erinnert: Die bösen schwarzen Löcher sind nicht die einzigen, über die man nachdenken sollte. Mit Hilfe des James-Webb-Weltraumteleskops identifizierte das Team eine Population von leuchtenden Quasaren, die nicht besonders groß sind. Sie sind zwar ziemlich groß, denn es handelt sich immer noch um supermassereiche Schwarze Löcher – nur eben nicht so groß.
Kurz gesagt, der Grund, warum diese Entdeckung eine große Sache ist, ist, dass die Wissenschaftler lange Zeit nicht sicher waren, wie einige dieser Quasare die riesigen Größen erreichen, die wir beobachten. Wir wissen, dass es Quasare mit einer überwältigenden Masse gibt, aber es war nicht klar, wie genau diese Quasare diese überwältigende Masse erreichen. Selbst bei der großen Menge an Materie, die sie aufgesaugt haben, scheint es fast so, als wäre noch nicht genug Zeit vergangen, damit sie ihre endgültige Form erreicht haben. Könnten diese neu entdeckten, kleineren Quasare also eine Übergangsphase der Giganten darstellen – und damit eine Lücke füllen, auf die Wissenschaftler schon lange gehofft haben?
„Ein Problem bei Quasaren ist, dass einige von ihnen übermäßig massiv zu sein scheinen, zu massiv angesichts des Alters des Universums, in dem die Quasare beobachtet werden“, sagte Jorryt Matthee, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria, in einer Erklärung. „Wir nennen sie die ‚problematischen Quasare‘.“
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Supermassive Geheimnisse
Das Leben dieser „problematischen Quasare“ beginnt mit dem Tod von massereichen Sternen.
Wenn sich ein wirklich massereicher Stern dem Ende seines Lebens nähert, beginnen seine eigenen Kernfusionsprozesse, durch die er Wasserstoff in Helium umwandelt, nachzulassen. Schließlich wird diese interne Fusion vollständig eingestellt. Dies ist ein Problem für einen Stern, der sich dem Tod entziehen will. Sobald die Fusion endet, fällt auch der Druck von außen weg, der den Stern seit Millionen, oft Milliarden von Jahren gegen den Druck seiner eigenen Schwerkraft stabil gehalten hat. Letztendlich kollabiert der Stern in sich selbst. Er stirbt einen explosiven Supernova-Tod, und ein Schwarzes Loch wird geboren.
Wenn dieses schwarze Loch beginnt, sich aktiv von der umgebenden Materie zu ernähren, wird es schließlich zu einem großen, bösen Quasar. Doch genau hier liegt das Problem. Was passiert dazwischen?
„Wenn wir bedenken, dass Quasare aus den Explosionen massereicher Sterne entstehen – und dass wir ihre maximale Wachstumsrate aus den allgemeinen Gesetzen der Physik kennen, sehen einige von ihnen so aus, als wären sie schneller gewachsen, als es möglich ist“, erklärt Matthee. „Es ist, als würde man ein fünfjähriges Kind betrachten, das 2 Meter groß ist. Irgendetwas passt da nicht zusammen.“
Aha! Hier kommt die neue Entdeckung des Teams, ein mittelgroßes schwarzes Loch, ins Spiel. Vielleicht sind diese kleineren Quasare das fehlende Stück in der Zeitleiste der problematischen Quasare.
„Schwarze Löcher und [supermassive schwarze Löcher] sind möglicherweise die interessantesten Dinge im Universum. Es ist schwer zu erklären, warum sie da sind, aber sie sind da. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns dabei helfen wird, einen der größten Schleier des Geheimnisses über das Universum zu lüften“, sagte Matthee.
Folgen Sie den roten Punkten
Die Forscher sagen, dass das JWST die Objekte – die das Team liebevoll „Baby-Quasare“ nennt – in Form von mehreren kleinen roten Punkten identifiziert hat.
„Während die ‚problematischen Quasare‘ blau und extrem hell sind und die milliardenfache Masse der Sonne erreichen, sind die kleinen roten Punkte eher wie ‚Baby-Quasare‘. Ihre Massen liegen zwischen 10 und 100 Millionen Sonnenmassen“, so Matthee. „Außerdem erscheinen sie rot, weil sie staubig sind. Der Staub verdeckt die schwarzen Löcher und macht die Farben röter“.
Wichtig ist auch, dass das Team weiß, dass es sich bei den beobachteten Schwarzen Löchern tatsächlich um Quasare handelt – d. h., dass sie sich aktiv ernähren (oder zumindest ernähren werden) – auch aufgrund der rötlichen Färbung. Die Forscher erklären, dass ihre Ziele so genannte „Hα-Spektrallinien“ mit „breiten Linienprofilen“ emittieren. Diese Spektrallinien entstehen, wenn Wasserstoffatome erhitzt werden; die Breite der Linien kann auch die Bewegung des Gases anzeigen. Je breiter die Basis der Linie ist, desto höher ist die Geschwindigkeit des Gases.
„Diese Spektren sagen uns also, dass wir eine sehr kleine Gaswolke betrachten, die sich extrem schnell bewegt und etwas sehr Massereiches wie ein [supermassives schwarzes Loch] umkreist“, so Matthee.
Der natürliche nächste Schritt für das Team besteht darin, diese Baby-Quasare genauer zu untersuchen und zu versuchen, sie wirklich mit ihren großen Bruder-Quasaren in Verbindung zu bringen, die die Berechnungen der Wissenschaftler zur Abstammung von Schwarzen Löchern in Schwierigkeiten gebracht haben. Noch besser ist jedoch, dass das Team ganz allgemein von den Datensätzen begeistert ist, die das JWST von der untersuchten Region im Weltraum aufgenommen hat. Eine der Kollaborationen, die hinter den Daten steht und den Namen EIGER für „Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization“ (Emissionslinien-Galaxien und intergalaktisches Gas in der Epoche der Reionisation) trägt, war nicht einmal darauf ausgelegt, die roten Punkte zu finden, auf die sie gestoßen ist. „Wir haben sie zufällig gefunden“, sagte Matthee.
„Wenn Sie Ihren Zeigefinger heben und Ihren Arm ganz ausstrecken, entspricht der von uns erforschte Bereich des Nachthimmels etwa einem Zwanzigstel der Oberfläche Ihres Nagels. Bislang haben wir wahrscheinlich nur an der Oberfläche gekratzt.“
Ein Artikel über die Entdeckung wurde am März veröffentlicht. 7 in The Astrophysical Journal veröffentlicht.
