Supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum stellen kosmologische Theorien in Frage

Eine künstlerische Darstellung der hellen Kernregion eines Quasars, einer aktiven Galaxie. Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum ist von einer hellen Scheibe aus Gas und Staub umgeben. Die äußerste Staubkomponente kann die Sicht auf das Innere verdecken und leuchtet hauptsächlich im mittleren Infrarotbereich, einem Licht, das vom James Webb-Weltraumteleskop analysiert werden kann. Aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs tritt senkrecht zur Scheibe ein hochenergetischer Teilchenstrahl ins All. Urheberrecht: © T. Müller / MPIA

Überraschend wenig überraschend: Das Schwarze Loch wog trotz seines durchschnittlichen Appetits bereits im frühen Universum mehr als eine Milliarde Sonnenmassen.

Betrachtet man die frühen Stadien des Universums, das 13,8 Milliarden Jahre alt ist, James Webb-Weltraumteleskop Er beobachtete eine Galaxie, wie sie vor nur 700 Millionen Jahren existierte die große Explosion. Es ist rätselhaft, wie Schwarzes Loch Die Schwarzen Löcher in seinem Zentrum hätten bereits eine Milliarde Sonnenmassen gewogen, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte. James Webbs Beobachtungen dienten dazu, den Fütterungsmechanismus genauer zu untersuchen, doch er fand nichts Ungewöhnliches. Offensichtlich wuchsen Schwarze Löcher bereits auf ähnliche Weise wie heute. Doch der Befund ist noch wichtiger: Er zeigt, dass Astronomen weniger über die Entstehung von Galaxien wissen, als sie dachten. Die Messungen sind jedoch keineswegs enttäuschend. Andererseits.

Das Geheimnis der frühen Schwarzen Löcher

Die ersten Milliarden Jahre der Geschichte des Universums stellen eine große Herausforderung dar: Die ältesten bekannten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien hatten überraschend große Massen. Wie konnte es so schnell so groß werden? Die hier beschriebenen neuen Beobachtungen liefern starke Beweise gegen einige der vorgeschlagenen Erklärungen, insbesondere gegen den „ultraeffizienten Fütterungsmodus“ der ersten Schwarzen Löcher.

Grenzen des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher

Sterne und Galaxien haben sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren, dem Alter des Universums, dramatisch verändert. Galaxien sind größer geworden und haben mehr Masse gewonnen, entweder durch den Verbrauch des sie umgebenden Gases oder (manchmal) durch die Verschmelzung miteinander. Lange Zeit gingen Astronomen davon aus, dass massereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien nach und nach neben den Galaxien selbst gewachsen wären.

Aber das Wachstum von Schwarzen Löchern kann nicht beliebig schnell sein. Das auf das Schwarze Loch fallende Material bildet eine heiße, helle „Akkretionsscheibe“. Wenn dies in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs geschieht, entsteht ein aktiver galaktischer Kern. Die hellsten dieser Objekte, sogenannte Quasare, gehören zu den hellsten astronomischen Objekten im gesamten Universum. Diese Helligkeit begrenzt jedoch die Menge an Materie, die auf das Schwarze Loch fallen kann: Das Licht übt einen Druck aus, der verhindern kann, dass zusätzliche Materie fällt.

Wie konnten Schwarze Löcher so schnell so massiv werden?

Deshalb waren Astronomen überrascht, als Beobachtungen entfernter Quasare in den letzten 20 Jahren neu entstandene Schwarze Löcher entdeckten, deren Masse jedoch zehn Milliarden Sonnenmassen erreichte. Es dauert lange, bis Licht von einem entfernten Objekt zu uns gelangt. Wenn man also entfernte Objekte betrachtet, blickt man in die ferne Vergangenheit. Wir sehen die am weitesten entfernten bekannten Quasare, wie sie in einer Ära existierten, die als „Morgendämmerung des Universums“ bekannt ist, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten.

Die Erklärung dieser frühen massereichen Schwarzen Löcher stellt eine große Herausforderung für aktuelle Modelle der Galaxienentwicklung dar. Könnten frühe Schwarze Löcher bei der Ansammlung von Gas effizienter sein als ihre modernen Gegenstücke? Oder könnte das Vorhandensein von Staub die Massenschätzungen von Quasaren so beeinflussen, dass Forscher die Masse früher Schwarzer Löcher überschätzten? Derzeit werden viele Erklärungen vorgeschlagen, aber keine wird allgemein akzeptiert.

Ein genauerer Blick auf das frühe Wachstum eines Schwarzen Lochs

Um festzustellen, welche Erklärungen – wenn überhaupt – richtig sind, ist ein vollständigeres Bild der Quasare erforderlich, als bisher verfügbar war. Mit dem Aufkommen des James-Webb-Weltraumteleskops und insbesondere des Mittelinfrarotinstruments MIRI hat die Fähigkeit der Astronomen, entfernte Quasare zu untersuchen, einen großen Sprung gemacht. Bei der Messung der Spektren entfernter Quasare ist MIRI etwa 4.000-mal empfindlicher als jedes andere Instrument zuvor.

Instrumente wie MIRI werden von internationalen Konsortien gebaut, in denen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker eng zusammenarbeiten. Das Konsortium ist natürlich sehr daran interessiert zu testen, ob ihr Tool wie geplant funktioniert. Als Gegenleistung für die Entwicklung des Tools erhält das Konsortium in der Regel eine gewisse Überwachungszeit. Im Jahr 2019, Jahre vor dem Start von JWST, beschloss das europäische MIRI-Konsortium, einen Teil dieser Zeit zu nutzen, um den damals am weitesten entfernten bekannten Quasar zu beobachten, ein Objekt mit der Bezeichnung J1120+0641.

Beobachtung eines der ältesten Schwarzen Löcher

Die Beobachtungen wurden von Dr. Sarah Bosman, einer Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie und Mitglied des europäischen MIRI-Konsortiums, analysiert. Zu den Beiträgen des MPIA zum MIRI-Instrument gehört der Aufbau einer Reihe wichtiger interner Teile. Boseman wurde gebeten, sich der MIRI-Zusammenarbeit anzuschließen, insbesondere um Fachwissen darüber bereitzustellen, wie das Instrument am besten zur Untersuchung des frühen Universums, insbesondere der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher, eingesetzt werden kann.

Die Beobachtungen erfolgten im Januar 2023, während des ersten Beobachtungszyklus des James-Webb-Teleskops, und dauerten etwa zweieinhalb Stunden. Es stellt die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarot während der kosmischen Morgendämmerung dar, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Die Informationen stammen nicht aus einem Bild, sondern aus einem Spektrum: der Zerlegung des Lichts eines Objekts in Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge, ähnlich einem Regenbogen.

Verfolgen Sie sich schnell bewegenden Staub und Gas

Die allgemeine Form des mittleren Infrarotspektrums („kontinuierliches“) Spektrum kodiert die Eigenschaften eines großen Staubrings, der die Akkretionsscheibe in typischen Quasaren umgibt. Dieser Ring hilft dabei, Materie in die Akkretionsscheibe zu leiten und so das Schwarze Loch zu „füttern“. Die schlechte Nachricht für diejenigen, die das Problem früher massereicher Schwarzer Löcher lieber lösen möchten, liegt in alternativen Methoden für schnelles Wachstum: Der Ring und damit der Nahrungsmechanismus in diesem sehr frühen Quasar scheint derselbe zu sein wie bei seinen moderneren Gegenstücken. Der einzige Unterschied ist etwas, das kein Modell des schnellen Wachstums früher Quasare vorhergesagt hat: Die Temperatur des Staubs ist etwas höher, etwa hundert Kelvin wärmer als die 1.300 Kelvin, die im heißeren Staub in weniger entfernten Quasaren zu finden sind.

Der kürzerwellige Teil des Spektrums, der von Emissionen der Akkretionsscheibe selbst dominiert wird, zeigt uns entfernten Beobachtern, dass das Licht des Quasars nicht durch mehr Staub als gewöhnlich gedimmt wird. Argumente, dass wir die Masse des frühen Schwarzen Lochs aufgrund des zusätzlichen Staubs möglicherweise überschätzen, sind ebenfalls keine Antwort.

Frühe Quasare „erschreckend normal“

Auch die Region mit den Umrissen eines Quasars, in der Gasklumpen das Schwarze Loch mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit umkreisen und Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs sowie die Dichte und Ionisierung der umgebenden Materie zulassen, erscheint normal. Nach fast allen Merkmalen, die sich aus dem Spektrum ableiten lassen, unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren späterer Zeit.

„Insgesamt erweitern die neuen Beobachtungen das Rätsel: Frühe Quasare waren erschreckend normal. Ganz gleich, bei welchen Wellenlängen wir sie beobachten, Quasare sind in allen Epochen des Universums nahezu identisch“, sagt Bosman. Nicht nur die supermassiven Schwarzen Löcher selbst, sondern auch ihre Ernährungsmechanismen waren völlig „ausgereift“, als das Universum nur 5 % seines heutigen Alters hatte. Indem sie eine Reihe alternativer Lösungen ausschließen, stützen die Ergebnisse nachdrücklich die Idee, dass supermassereiche Schwarze Löcher von Anfang an große Massen hatten, in der Terminologie der Astronomie: „ursprünglich“ oder „massiv“. Supermassereiche Schwarze Löcher entstanden nicht aus den Überresten früher Sterne, sondern wuchsen dann sehr schnell. Sie müssen sich früh mit Anfangsmassen von mindestens 100.000 Sonnenmassen gebildet haben, möglicherweise durch den Zusammenbruch massiver früher Gaswolken.

Referenz: „Ein reifer Quasar am Morgen des Universums, entdeckt durch JWST-Infrarotspektroskopie mit stationärem Rahmen“ von Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Gödel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock und Bart Vandenbosche, 17. Juni 2024, Natürliche Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0