Auf der Suche nach supermassiven Schwarzen Löchern im frühen Universum

Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) – schwarze Löcher mit Massen, die mehr als eine Million Mal so groß sind wie die der Sonne – sind heute dafür bekannt, dass sie im Universum vorherrschen. Es ist jedoch noch nicht klar, wann, wo und wie sie im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre kosmischen Geschichte entstanden sind.

Beobachtungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass jede Galaxie ein SMBH im Zentrum beherbergt und dass die Masse des Schwarzen Lochs fast immer ein Tausendstel der Masse der Wirtsgalaxie beträgt. Diese enge Beziehung impliziert, dass sich Galaxien und SMBHs gemeinsam entwickelt haben. Die Aufklärung des Ursprungs von SMBHs ist daher nicht nur für das Verständnis der SMBHs selbst von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Aufklärung der Entstehungsprozesse von Galaxien, den Hauptbestandteilen des sichtbaren Universums.

Ein Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt im frühen Universum, wo seit dem Urknall (also dem Beginn des Universums) weniger als eine Milliarde Jahre vergangen sind. Dank der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir durch die Beobachtung des fernen Universums in die Vergangenheit zurückblicken. Gab es SMBHs bereits, als das Universum erst eine Milliarde Jahre oder weniger alt war? Ist es möglich, dass ein Schwarzes Loch in so kurzer Zeit eine so große Masse annimmt (mehr als eine Million Sonnenmassen und manchmal sogar Milliarden Sonnenmassen)? Wenn ja, welche physikalischen Mechanismen und Bedingungen liegen dem zugrunde?

Um den Ursprung der SMBHs zu ergründen, müssen wir sie beobachten und ihre Eigenschaften mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen vergleichen. Und dazu müssen wir zunächst herausfinden, wo sie sich am Himmel befinden.

Für die vorliegende Studie verwendeten wir das Subaru-Teleskop auf dem Gipfel von Maunakea, Hawaii. Einer der größten Vorteile von Subaru ist seine Weitfeldbeobachtungsfähigkeit, die für unseren Zweck besonders geeignet ist. Da SMBHs kein Licht aussenden, suchten wir nach einer besonderen Klasse namens „Quasare“ – SMBHs mit leuchtenden Rändern, in denen das einfallende Material Gravitationsenergie freisetzt.

Wir beobachteten einen weiten Himmelsbereich, der dem 5.000-fachen des Vollmonds entspricht, und entdeckten erfolgreich 162 Quasare im frühen Universum. Insbesondere 22 von ihnen lebten in der Zeit, als das Universum weniger als 800 Millionen Jahre alt war – der ältesten Zeit, in der Quasare bisher erkannt wurden.

Die große Anzahl der von uns entdeckten Quasare hat es uns ermöglicht, das grundlegendste Maß namens „Leuchtkraftfunktion“ zu bestimmen, das die Raumdichte von Quasaren als Funktion der Strahlungsenergie beschreibt. Wir fanden heraus, dass sich Quasare im frühen Universum sehr schnell bildeten, während die Gesamtform der Leuchtkraftfunktion (mit Ausnahme der Amplitude) im Laufe der Zeit unverändert blieb.

Dieses charakteristische Verhalten der Leuchtkraftfunktion stellt starke Einschränkungen für theoretische Modelle dar, die letztendlich alle Observablen reproduzieren und den Ursprung von SMBHs beschreiben könnten. Unsere Studie ist veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

Andererseits war bekannt, dass das Universum in seinem frühen Stadium einen großen Phasenübergang erlebt hat, der als „kosmische Reionisierung“ bezeichnet wird. Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass bei diesem Ereignis der gesamte intergalaktische Raum ionisiert wurde. Die Quelle der Ionisierungsenergie ist noch umstritten, wobei die Strahlung von Quasaren als vielversprechender Kandidat gilt.

Durch die Integration der obigen Leuchtkraftfunktion haben wir herausgefunden, dass Quasare im frühen Universum 1028 Photonen pro Sekunde in einem Einheitsvolumen von 1 Lichtjahr auf einer Seite emittieren. Dies ist weniger als 1 % der Photonen, die zu diesem Zeitpunkt zur Aufrechterhaltung des ionisierten Zustands des intergalaktischen Raums erforderlich waren, und weist somit darauf hin, dass Quasare nur einen geringen Beitrag zur kosmischen Reionisierung leisteten. Andere Energiequellen werden dringend benötigt. Anderen neueren Beobachtungen zufolge könnte es sich dabei um die integrierte Strahlung massereicher heißer Sterne bei der Entstehung von Galaxien handeln.