Astronomen erforschen das ferne Universum mit dem James Webb-Weltraumteleskopdas leistungsstärkste Teleskop der NASA, haben eine Klasse von Galaxien entdeckt, die selbst die geschicktesten Kreaturen in der Nachahmung herausfordert – wie die Oktopus imitieren. Dieses Wesen kann sich als andere Meerestiere ausgeben, um Raubtieren zu entgehen. Sie müssen ein Plattfisch sein? Kein Problem. Eine Seeschlange? Einfach.
Als Astronomen die ersten Webb-Bilder der entfernten Teile des Universums analysierten, entdeckten sie eine noch nie zuvor gesehene Gruppe von Galaxien. Diese Galaxien – einige Hundert von ihnen, genannt Kleine rote Punkte—sind sehr rot und kompakt und nur sichtbar während etwa 1 Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte. Wie der Mimik-Oktopus geben die kleinen roten Punkte den Astronomen Rätsel auf, weil sie wie unterschiedliche astrophysikalische Objekte aussehen. Es sind entweder sehr schwere Galaxien oder solche von mittlerer Größe, die in ihrem Kern jeweils ein supermassives schwarzes Loch enthalten.
Eines ist jedoch sicher. Der typische kleine rote Punkt ist klein, mit einem Radius von nur 2% davon der Milchstraße Galaxis. Manche sind sogar noch kleiner.
Als Astrophysiker Als Wissenschaftler, der weit entfernte Galaxien und schwarze Löcher erforscht, bin ich daran interessiert, die Natur dieser kleinen Galaxien zu verstehen. Wodurch wird ihr Licht angetrieben und was sind sie wirklich?
Der Nachahmungswettbewerb
Astronomen analysieren das Licht, das unsere Teleskope von weit entfernten Galaxien empfangen, um ihre physikalischen Eigenschaften zu bestimmen, beispielsweise die Anzahl der Sterne, die sie enthalten. Wir können die Eigenschaften ihres Lichts verwenden, um die kleinen roten Punkte zu untersuchen und herauszufinden, ob sie aus vielen Sternen bestehen oder ob sich in ihrem Inneren ein schwarzes Loch befindet.
Das Licht, das unsere Teleskope erreicht, hat eine Wellenlänge von langen Radiowellen bis zu energiereichen GammastrahlenAstronomen zerlegen das Licht in die verschiedenen Frequenzen und visualisieren sie in einem Diagramm. ein sogenanntes Spektrum.
Manchmal enthält das Spektrum Emissionsliniendas sind Frequenzbereiche, in denen intensivere Lichtemission auftritt. In diesem Fall können wir die Form des Spektrums verwenden, um vorherzusagen, ob die Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch beherbergt und schätze seine Masse.
Ebenso kann die Untersuchung der Röntgenemissionen der Galaxie die Existenz eines supermassiven Schwarzen Lochs aufdecken.
Als ultimative Meister der Tarnung erscheinen die kleinen roten Punkte als unterschiedliche astrophysikalische Objekte, je nachdem, ob die Astronomen sie mithilfe von Röntgenstrahlen, Emissionslinien oder etwas anderem untersuchen.
Die Informationen, die die Astronomen bisher aus den Spektren und Emissionslinien der kleinen roten Punkte gesammelt haben, haben zu zwei voneinander abweichenden Modellen geführt, die ihre Natur erklären. Bei diesen Objekten handelt es sich entweder um extrem dichte Galaxien mit Milliarden von Sternen oder um ein supermassereiches schwarzes Loch.
Die beiden Hypothesen
In der Nur-Sterne-Hypothese enthalten die kleinen roten Punkte eine riesige Anzahl von Sternen – bis zu 100 Milliarden SterneDas ist ungefähr die gleiche Anzahl an Sternen wie in der Milchstraße – einer viel größeren Galaxie.
Stellen Sie sich vor, Sie stehen allein in einem riesigen, leeren Raum. Dieser riesige, ruhige Raum stellt den Bereich des Universums in der Nähe unseres Sonnensystems dar, in dem die Sterne spärlich verstreut sind. Stellen Sie sich nun denselben Raum vor, aber vollgestopft mit der gesamten Bevölkerung Chinas.
Dieser überfüllte Raum ist das, was der Kern der dichtesten kleinen roten Punkte sein würde. Diese astrophysikalischen Objekte könnten die dichteste Sternumgebungen im gesamten Universum. Astronomen sind sich nicht einmal sicher, ob solche Sternensysteme physikalisch existieren können.
Dann gibt es noch die Hypothese des schwarzen Lochs. Die Mehrheit der kleinen roten Punkte zeigen deutliche Anzeichen der Anwesenheit von ein supermassives schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Astronomen können anhand der großen Emissionslinien in den Spektren der Galaxie erkennen, ob sich in der Galaxie ein Schwarzes Loch befindet. Diese Linien entstehen durch das mit hoher Geschwindigkeit um das Schwarze Loch wirbelnde Gas.
Tatsächlich schätzen Astronomen Diese schwarzen Löcher sind zu massivverglichen mit der Größe ihrer kompakten Wirtsgalaxien.
Schwarze Löcher haben typischerweise eine Masse von etwa 0,1% der Sternmasse ihrer Wirtsgalaxien. Aber einige dieser kleinen roten Punkte ein Schwarzes Loch von fast derselben Masse als ihre gesamte Galaxie. Astronomen nennen diese schwarzen Löcher übermassiv, weil ihre Existenz dem üblichen Verhältnis widerspricht, das normalerweise in Galaxien beobachtet wird.
Animation zur Entdeckung übermassiver Schwarzer Löcher im fernen Universum durch das James-Webb-Weltraumteleskop. Bildnachweis: Timothy Rauch
Es gibt jedoch noch einen weiteren Haken. Im Gegensatz zu gewöhnlichen schwarzen Löchern sind die vermutlich in den kleinen roten Punkten vorhandenen nicht anzeigen Anzeichen einer Röntgenemission. Selbst im tiefstenHochenergiebilder, auf denen Astronomen diese schwarzen Löcher problemlos beobachten könnten, fehlen jegliche Spuren von ihnen.
Wenige Lösungen und viele Hoffnungen
Handelt es sich bei diesen astrophysikalischen Kuriositäten also um massereiche Galaxien mit viel zu vielen Sternen? Oder beherbergen sie in ihrem Zentrum supermassereiche Schwarze Löcher, die zu massereich sind und nicht genügend Röntgenstrahlen aussenden? Was für ein Rätsel.
Mit weiteren Beobachtungen und theoretischen Modellen kommen Astronomen allmählich auf einige mögliche Lösungen. Vielleicht bestehen die kleinen roten Punkte nur aus Sternen, aber diese Sterne sind so dicht und kompakt, dass sie imitieren Die Emissionslinien, die typischerweise aus einem schwarzen Loch.
Oder vielleicht supermassiv – sogar übermassiv– im Kern dieser kleinen roten Punkte lauern schwarze Löcher. Wenn das der Fall ist, können zwei Modelle das Fehlen von Röntgenemissionen erklären.
Erstens könnten große Mengen Gas um das Schwarze Loch herumschweben, was blockieren einen Teil der hochenergetischen Strahlung aus dem Zentrum des Schwarzen Lochs ausgestoßen wird. Zweitens könnte das Schwarze Loch viel schneller Gas ansaugen als gewöhnlich. Dieser Prozess würde ein anderes Spektrum erzeugen mit weniger Röntgenstrahlen als Astronomen normalerweise sehen.
Die Tatsache, dass die Schwarzen Löcher zu groß oder zu massiv sind, ist möglicherweise kein Problem für unser Verständnis des Universums, sondern vielmehr der beste Hinweis darauf, wie die erste schwarze Löcher im Universum geboren wurden. Tatsächlich waren die ersten schwarzen Löcher, die sich bildeten, sehr massiv – etwa 100.000-fache Masse der Sonne—Theoretische Modelle legen nahe, dass ihr Verhältnis der Masse des Schwarzen Lochs zur Masse der Wirtsgalaxie könnte hoch bleiben für eine lange Zeit nach der Entstehung.
Wie können Astronomen also die wahre Natur dieser kleinen Lichtpunkte entdecken, die am Anfang der Zeit leuchteten? Wie im Fall unseres Meisters der Tarnung – des Oktopus – liegt das Geheimnis in der Beobachtung ihres Verhaltens.
Mit dem Webb-Teleskop und leistungsstärkeren Röntgenteleskope Durch weitere Beobachtungen wird schließlich ein Merkmal zutage gefördert, das die Astronomen nur einem der beiden Szenarien zuordnen können.
Wenn die Astronomen beispielsweise eindeutig Röntgen- oder Radiostrahlung oder Infrarotlicht aus der Umgebung des möglichen schwarzen Lochs registrieren könnten, wüssten sie, dass die Hypothese vom schwarzen Loch richtig ist.
Genauso wie unser Meeresfreund vorgeben kann, ein Seestern zu sein, wird er irgendwann seine Tentakeln bewegen und seine wahre Natur offenbaren.
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