Das James Webb-Weltraumteleskop entdeckt kleine Riesen in der tiefen Vergangenheit

Das James-Webb-Weltraumteleskop hat in seinem ersten Betriebsjahr eine der unerwartetsten Entdeckungen gemacht: Eine große Anzahl schwacher kleiner roter Punkte im fernen Universum könnte unser Verständnis der Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher verändern.

Die Forschung unter der Leitung von Jorryt Matthee, Assistenzprofessor für Astrophysik am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), ist jetzt abgeschlossen veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journal.

Eine Ansammlung kleiner roter Punkte, die in einer winzigen Region unseres Nachthimmels gefunden wurden, könnte tatsächlich ein unerwarteter Durchbruch für das James Webb Space Telescope (JWST) in seinem ersten Dienstjahr sein. Mit den „Augen“ des älteren Hubble-Weltraumteleskops waren diese Objekte nicht von normalen Galaxien zu unterscheiden.

„Obwohl das JWST für diesen speziellen Zweck entwickelt wurde, half es uns festzustellen, dass schwache kleine rote Punkte – die sehr weit entfernt in der fernen Vergangenheit des Universums gefunden wurden – kleine Versionen extrem massereicher Schwarzer Löcher sind. Diese besonderen Objekte könnten die Art und Weise verändern, wie wir.“ Denken Sie über die Entstehung von Schwarzen Löchern nach“, sagt Matthee, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Hauptautor der Studie.

„Die vorliegenden Erkenntnisse könnten uns der Lösung eines der größten Dilemmas der Astronomie einen Schritt näher bringen: Den aktuellen Modellen zufolge sind einige supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum einfach ‚zu schnell‘ gewachsen.“ Wie sind sie dann entstanden?“

Die kosmischen Punkte ohne Wiederkehr

Wissenschaftler hielten Schwarze Löcher lange Zeit für eine mathematische Kuriosität, bis ihre Existenz immer offensichtlicher wurde. Diese seltsamen kosmischen Abgründe könnten so kompakte Massen und starke Gravitationen haben, dass sich ihrer Anziehungskraft nichts entziehen kann; Sie saugen alles auf, auch kosmischen Staub, Planeten und Sterne, und verformen den Raum und die Zeit um sie herum so, dass nicht einmal Licht entkommen kann.

Die allgemeine Relativitätstheorie, die Albert Einstein vor über einem Jahrhundert veröffentlichte, sagte voraus, dass Schwarze Löcher jede beliebige Masse haben könnten. Zu den faszinierendsten Schwarzen Löchern gehören die supermassereichen Schwarzen Löcher (SMBHs), die das Millionen- bis Milliardenfache der Sonnenmasse erreichen könnten. Astrophysiker sind sich einig, dass sich im Zentrum fast jeder großen Galaxie ein SMBH befindet. Der Beweis, dass Sagittarius A* ein SMBH im Zentrum unserer Galaxie mit über vier Millionen Sonnenmassen ist, brachte 2020 den Nobelpreis für Physik ein.

Zu massiv, um dort zu sein

Allerdings sind nicht alle SMBHs gleich. Während Sagittarius A* mit einem schlafenden Vulkan verglichen werden könnte, wachsen einige SMBHs extrem schnell, indem sie astronomische Mengen an Materie verschlingen. Dadurch werden sie so leuchtend, dass sie bis an den Rand des sich immer weiter ausdehnenden Universums beobachtet werden können. Diese SMBHs werden Quasare genannt und gehören zu den hellsten Objekten im Universum.

„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. Wir nennen sie die ‚problematischen Quasare‘“, sagt Matthee.

„Wenn wir bedenken, dass Quasare aus 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 möglich „Altes Kind, das zwei Meter groß ist. Irgendetwas passt da nicht zusammen“, erklärt er.

Könnten SMBHs vielleicht noch schneller wachsen, als wir ursprünglich dachten? Oder bilden sie sich anders?

Kleine Versionen riesiger kosmischer Monster

Jetzt identifizieren Matthee und seine Kollegen eine Population von Objekten, die in JWST-Bildern als kleine rote Punkte erscheinen. Außerdem zeigen sie, dass es sich bei diesen Objekten um SMBHs handelt, jedoch nicht um übermäßig massive.

Ausschlaggebend für die Feststellung, dass es sich bei diesen Objekten um SMBHs handelt, war die Erkennung von Hα-Spektralemissionslinien mit breiten Linienprofilen. Hα-Linien sind Spektrallinien im tiefroten Bereich des sichtbaren Lichts, die beim Erhitzen von Wasserstoffatomen emittiert werden. Die Breite der Spektren spiegelt die Bewegung des Gases wider.

„Je breiter die Basis der Hα-Linien, desto höher ist die Gasgeschwindigkeit. Diese Spektren zeigen uns also, dass wir es mit einer sehr kleinen Gaswolke zu tun haben, die sich extrem schnell bewegt und etwas sehr Massives wie ein SMBH umkreist“, sagt Matthee.

Allerdings handelt es sich bei den kleinen roten Punkten nicht um die riesigen kosmischen Monster, die in übermäßig massiven SMBHs zu finden sind.

„Während die ‚problematischen Quasare‘ blau, extrem hell sind und das Milliardenfache der Sonnenmasse erreichen, ähneln die kleinen roten Punkte eher ‚Babyquasaren‘.“ „Ihre Massen liegen zwischen zehn und hundert Millionen Sonnenmassen. Außerdem erscheinen sie rot, weil sie staubig sind. Der Staub verdeckt die Schwarzen Löcher und lässt die Farben rot werden“, sagt Matthee.

Aber irgendwann wird der Gasaustritt der Schwarzen Löcher den Staubkokon durchstoßen und aus diesen kleinen roten Punkten werden Riesen entstehen. Daher vermuten der ISTA-Astrophysiker und sein Team, dass es sich bei den kleinen roten Punkten um kleine, rote Versionen riesiger blauer SMBHs in der Phase handelt, die vor den problematischen Quasaren liegt.

„Eine detailliertere Untersuchung der Babyversionen der übermäßig massiven SMBHs wird es uns ermöglichen, besser zu verstehen, wie problematische Quasare entstehen“, erklärt Matthee.

Eine „bahnbrechende“ Technologie

Matthee und sein Team konnten die kleinen Quasare dank der Datensätze der Kooperationen EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) und FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations) finden. Dabei handelt es sich um ein großes und ein mittleres JWST-Programm, an dem Matthee beteiligt war. Letzten Dezember, Physikwelt Das Magazin listete EIGER unter den Top 10 Durchbrüchen des Jahres 2023.

„EIGER wurde entwickelt, um speziell die seltenen blauen supermassereichen Quasare und ihre Umgebungen zu untersuchen. Es war nicht darauf ausgelegt, die kleinen roten Punkte zu finden. Aber wir haben sie zufällig im selben Datensatz gefunden. Dies liegt daran, dass wir die Nahinfrarotkamera EIGER des JWST verwendet haben.“ erfasst Emissionsspektren aller Objekte im Universum“, sagt Matthee. „Wenn man den Zeigefinger hebt und den Arm komplett ausstreckt, entspricht der von uns erkundete Bereich des Nachthimmels etwa einem Zwanzigstel der Oberfläche seines Nagels. Bisher haben wir wahrscheinlich nur an der Oberfläche gekratzt.“

Matthee ist zuversichtlich, dass die vorliegende Studie viele Möglichkeiten eröffnen und zur Beantwortung einiger der großen Fragen zum Universum beitragen wird.

„Schwarze Löcher und SMBHs sind möglicherweise die interessantesten Dinge im Universum. Es ist schwer zu erklären, warum sie dort sind, aber sie sind da. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns helfen wird, einen der größten Geheimnisse des Universums zu lüften.“ er kommt zu dem Schluss.