JWST-Beobachtungen enthüllen einen reifen Quasar in der kosmischen Morgendämmerung

Das James-Webb-Weltraumteleskop beobachtete eine Galaxie in einem besonders jungen Stadium des Universums. Beim Blick zurück in die Vergangenheit wurde deutlich, dass das Licht der Galaxie mit der Bezeichnung J1120+0641 fast so lange brauchte, um die Erde zu erreichen, wie das Universum für seine Entwicklung bis heute gebraucht hat. Wie das schwarze Loch in ihrem Zentrum damals über eine Milliarde Sonnenmassen wiegen konnte, ist unerklärlich, wie unabhängige Messungen ergaben. Die Erkenntnisse sind veröffentlicht im Journal Naturastronomie.

Jüngste Beobachtungen des Materials in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs hätten einen besonders effizienten Fütterungsmechanismus enthüllen sollen, fanden aber nichts Besonderes. Dieses Ergebnis ist umso außergewöhnlicher: Es könnte bedeuten, dass Astrophysiker weniger über die Entwicklung von Galaxien wissen als gedacht. Und doch sind sie keineswegs enttäuschend.

Die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte stellen eine Herausforderung dar: Die frühesten bekannten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien haben überraschend große Massen. Wie konnten sie so schnell so massiv werden? Die hier beschriebenen neuen Beobachtungen liefern starke Beweise gegen einige vorgeschlagene Erklärungen, insbesondere gegen einen „ultra-effektiven Fressmodus“ der frühesten Schwarzen Löcher.

Die Grenzen des Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher

Sterne und Galaxien haben sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren, der Lebenszeit des Universums, enorm verändert. Galaxien sind größer geworden und haben mehr Masse gewonnen, entweder indem sie umgebendes Gas verschluckt haben oder (gelegentlich) indem sie miteinander verschmolzen sind. Lange Zeit gingen Astronomen davon aus, dass die supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien allmählich zusammen mit den Galaxien selbst gewachsen wären.

Das Wachstum von Schwarzen Löchern kann jedoch nicht beliebig schnell erfolgen. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, bildet eine wirbelnde, heiße, helle „Akkretionsscheibe“. Wenn dies um ein supermassives Schwarzes Loch herum geschieht, ist das Ergebnis ein aktiver galaktischer Kern. Die hellsten dieser Objekte, die als Quasare bezeichnet werden, gehören zu den hellsten astronomischen Objekten im gesamten Kosmos. Diese Helligkeit begrenzt jedoch die Menge an Materie, die auf das Schwarze Loch fallen kann: Licht übt einen Druck aus, der verhindern kann, dass weitere Materie hineinfällt.

Wie konnten Schwarze Löcher so schnell so viel Masse erlangen?

Deshalb waren die Astronomen überrascht, als Beobachtungen ferner Quasare in den letzten zwanzig Jahren sehr junge Schwarze Löcher offenbarten, die dennoch Massen von bis zu 10 Milliarden Sonnenmassen erreicht hatten. Licht braucht Zeit, um von einem weit entfernten Objekt zu uns zu gelangen. Daher ist der Blick auf weit entfernte Objekte gleichbedeutend mit einem Blick in die ferne Vergangenheit. Wir sehen die am weitesten entfernten bekannten Quasare so, wie sie in einer Ära waren, die als „kosmische Morgendämmerung“ bezeichnet wird, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden.

Die Erklärung dieser frühen, massereichen Schwarzen Löcher stellt für die aktuellen Modelle der Galaxienentwicklung eine erhebliche Herausforderung dar. Könnte es sein, dass frühe Schwarze Löcher Gas viel effizienter ansammeln konnten als ihre modernen Gegenstücke? Oder könnte die Anwesenheit von Staub die Schätzung der Quasarmasse so beeinflussen, dass Forscher die Masse früher Schwarzer Löcher überschätzen? Es gibt derzeit zahlreiche vorgeschlagene Erklärungen, aber keine davon wird allgemein akzeptiert.

Ein genauerer Blick auf das frühe Wachstum Schwarzer Löcher

Um zu entscheiden, welche der Erklärungen richtig sind – wenn überhaupt –, ist ein vollständigeres Bild der Quasare erforderlich, als es bisher verfügbar war. Mit der Einführung des Weltraumteleskops JWST, insbesondere des Mittelinfrarotinstruments MIRI, haben die Astronomen ihre Fähigkeit, weit entfernte Quasare zu untersuchen, enorm verbessert. MIRI ist bei der Messung der Spektren entfernter Quasare 4.000 Mal empfindlicher als jedes bisherige Instrument.

Instrumente wie MIRI werden von internationalen Konsortien gebaut, bei denen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker eng zusammenarbeiten. Natürlich ist ein Konsortium sehr daran interessiert, zu testen, ob sein Instrument die geplante Leistung erbringt.

Als Gegenleistung für den Bau des Instruments erhalten Konsortien normalerweise eine bestimmte Beobachtungszeit. Im Jahr 2019, Jahre vor dem Start des JWST, beschloss das europäische MIRI-Konsortium, einen Teil dieser Zeit für die Beobachtung des damals am weitesten entfernten bekannten Quasars zu verwenden, eines Objekts mit der Bezeichnung J1120+0641.

Beobachtung eines der frühesten Schwarzen Löcher

Die Analyse der Beobachtungen oblag Dr. Sarah Bosman, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Mitglied des europäischen MIRI-Konsortiums. Zu den Beiträgen des MPIA zum MIRI-Instrument gehört der Bau einer Reihe wichtiger interner Teile. Bosman wurde gebeten, der MIRI-Zusammenarbeit beizutreten, um ihr Fachwissen einzubringen, wie man das Instrument am besten zur Erforschung des frühen Universums, insbesondere der ersten supermassiven schwarzen Löcher, einsetzen kann.

Die Beobachtungen wurden im Januar 2023 während des ersten Beobachtungszyklus des JWST durchgeführt und dauerten etwa zweieinhalb Stunden. Sie stellen die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarotbereich in der Zeit der kosmischen Morgendämmerung dar, knapp 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Die Informationen stammen nicht aus einem Bild, sondern aus einem Spektrum: der regenbogenartigen Zerlegung des Lichts des Objekts in Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen.

Auf der Spur von Staub und schnellem Gas

Die Gesamtform des mittleren Infrarotspektrums („Kontinuum“) kodiert die Eigenschaften eines großen Staubtorus, der in typischen Quasaren die Akkretionsscheibe umgibt. Dieser Torus hilft dabei, Materie auf die Akkretionsscheibe zu leiten und das Schwarze Loch zu „füttern“.

Die schlechte Nachricht für diejenigen, die die Lösung für die massiven frühen Schwarzen Löcher in alternativen schnellen Wachstumsmodi bevorzugen: Der Torus und damit auch der Fütterungsmechanismus in diesem sehr frühen Quasar scheinen die gleichen zu sein wie bei seinen moderneren Gegenstücken. Der einzige Unterschied ist einer, den kein Modell für schnelles Wachstum früher Quasare vorhergesagt hat: eine etwas höhere Staubtemperatur, etwa hundert Kelvin wärmer als die 1300 K, die für den heißesten Staub in weniger weit entfernten Quasaren gefunden wurden.

Der kurzwelligere Teil des Spektrums, der von den Emissionen der Akkretionsscheibe selbst dominiert wird, zeigt, dass das Licht des Quasars für uns als entfernte Beobachter nicht durch mehr als übliche Staubmengen gedämpft wird. Auch Argumente, dass wir vielleicht die Massen früher Schwarzer Löcher aufgrund von zusätzlichem Staub einfach nur überschätzen, sind keine Lösung.

Frühe Quasare „schockierend normal“

Auch der breite Linienbereich des Quasars, in dem Gasklumpen das Schwarze Loch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umkreisen – was Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs sowie die Dichte und Ionisierung der umgebenden Materie zulässt – sieht normal aus. Nach fast allen Eigenschaften, die sich aus dem Spektrum ableiten lassen, unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren aus späteren Zeiten.

„Insgesamt vergrößern die neuen Beobachtungen das Mysterium nur noch: Frühe Quasare waren erschreckend normal. Egal in welchen Wellenlängen wir sie beobachten, Quasare sind zu allen Epochen des Universums nahezu identisch“, sagt Bosman. Nicht nur die supermassiven Schwarzen Löcher selbst, sondern auch ihre Nahrungsmechanismen waren offenbar bereits völlig „ausgereift“, als das Universum gerade einmal 5% seines heutigen Alters hatte.

Indem sie eine Reihe alternativer Lösungen ausschließen, unterstützen die Ergebnisse nachdrücklich die Idee, dass supermassive Schwarze Löcher von Anfang an mit beträchtlichen Massen begannen, im Fachjargon der Astronomie: dass sie „primordial“ oder „von Anfang an groß“ waren. Supermassive Schwarze Löcher entstanden nicht aus den Überresten früher Sterne und wurden dann sehr schnell massiv. Sie müssen früh mit Anfangsmassen von mindestens hunderttausend Sonnenmassen entstanden sein, vermutlich durch den Kollaps massiver früher Gaswolken.