Die Untersuchung des James Webb-Weltraumteleskops zeigt weniger supermassereiche Schwarze Löcher als angenommen

Eine Untersuchung eines Teils des Kosmos mit dem James Webb-Weltraumteleskop der University of Kansas hat ergeben, dass aktive galaktische Kerne (AGN) – supermassereiche Schwarze Löcher, deren Größe schnell zunimmt – seltener sind, als viele Astronomen zuvor angenommen hatten.

Die mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST gemachten Erkenntnisse legen nahe, dass unser Universum möglicherweise etwas stabiler ist als angenommen. Die Arbeit gibt auch Einblicke in Beobachtungen schwacher Galaxien, ihre Eigenschaften und Herausforderungen bei der Identifizierung von AGN.

Ein neues Papier mit Einzelheiten zur JWST-Forschung, die unter der Schirmherrschaft des Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS)-Programms durchgeführt wurde, wurde auf veröffentlicht arXiv vor der formellen Peer-Review-Veröffentlichung in Das Astrophysikalische Journal.

Die von Allison Kirkpatrick, Assistenzprofessorin für Physik und Astronomie an der KU, geleitete Arbeit konzentrierte sich auf eine seit langem erforschte Zone des Kosmos namens Extended Groth Strip, die zwischen den Sternbildern Ursa Major und Bootes liegt. Bisherige Untersuchungen des Gebiets stützten sich jedoch auf eine leistungsschwächere Generation von Weltraumteleskopen.

„Unsere Beobachtungen wurden im letzten Juni und Dezember gemacht und wir wollten charakterisieren, wie Galaxien während der Blütezeit der Sternentstehung im Universum aussahen“, sagte Kirkpatrick. „Dies ist ein Blick zurück in die Zeit von 7 bis 10 Milliarden Jahren in der Vergangenheit. Wir haben das Mittelinfrarot-Instrument des James Webb-Weltraumteleskops verwendet, um Staub in Galaxien zu untersuchen, die 10 Milliarden Jahre in der Vergangenheit existierten, und diesen Staub.“ kann die laufende Sternentstehung verbergen, und es kann wachsende supermassereiche Schwarze Löcher verbergen. Deshalb habe ich die erste Untersuchung durchgeführt, um nach diesen lauernden, supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren dieser Galaxien zu suchen.“

Während sich in der Mitte jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, handelt es sich bei AGN um spektakulärere Umwälzungen, die aktiv Gase ansaugen und eine Leuchtkraft aufweisen, die typischen Schwarzen Löchern fehlt.

Kirkpatrick und viele andere Astrophysiker gingen davon aus, dass die JWST-Durchmusterung mit höherer Auflösung viel mehr AGN lokalisieren würde als eine frühere Durchmusterung, die mit dem Spitzer-Weltraumteleskop durchgeführt wurde. Trotz der Leistungs- und Empfindlichkeitssteigerung von MIRI wurden in der neuen Umfrage jedoch nur wenige zusätzliche AGN gefunden.

„Die Ergebnisse sahen völlig anders aus, als ich erwartet hatte, was zu meiner ersten großen Überraschung führte“, sagte Kirkpatrick. „Eine bedeutende Entdeckung war die Seltenheit schnell wachsender supermassereicher Schwarzer Löcher. Diese Entdeckung warf Fragen nach dem Verbleib dieser Objekte auf. Wie sich herausstellte, wachsen diese Schwarzen Löcher wahrscheinlich langsamer als bisher angenommen, was in Anbetracht dessen faszinierend ist.“ Die Galaxien, die ich untersucht habe, ähneln unserer Milchstraße aus der Vergangenheit. Frühere Beobachtungen mit Spitzer ermöglichten uns nur die Untersuchung der hellsten und massereichsten Galaxien mit schnell wachsenden supermassiven Schwarzen Löchern, wodurch sie leicht zu erkennen waren.“

Kirkpatrick sagte, ein wichtiges Rätsel der Astronomie liege darin, zu verstehen, wie typische supermassereiche Schwarze Löcher, wie sie in Galaxien wie der Milchstraße vorkommen, wachsen und ihre Muttergalaxie beeinflussen.

„Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass diese Schwarzen Löcher nicht schnell wachsen, nur begrenzte Materie absorbieren und ihre Muttergalaxien möglicherweise nicht wesentlich beeinflussen“, sagte sie. „Diese Entdeckung eröffnet eine völlig neue Perspektive auf das Wachstum von Schwarzen Löchern, da unser derzeitiges Verständnis größtenteils auf den massereichsten Schwarzen Löchern in den größten Galaxien basiert, die erhebliche Auswirkungen auf ihre Wirte haben, die kleineren Schwarzen Löcher in diesen Galaxien jedoch wahrscheinlich.“ nicht.“

Ein weiteres überraschendes Ergebnis sei der Mangel an Staub in diesen Galaxien, sagte der KU-Astronom.

„Durch die Verwendung von JWST können wir viel kleinere Galaxien als je zuvor identifizieren, einschließlich solcher von der Größe der Milchstraße oder noch kleiner, was bei diesen Rotverschiebungen (kosmischen Entfernungen) bisher unmöglich war“, sagte Kirkpatrick. „Normalerweise weisen die massereichsten Galaxien aufgrund ihrer schnellen Sternentstehungsraten reichlich Staub auf. Ich hatte angenommen, dass Galaxien mit geringerer Masse ebenfalls beträchtliche Mengen an Staub enthalten würden, aber das war nicht der Fall, was meine Erwartungen übertraf und eine weitere faszinierende Entdeckung bot.“

Laut Kirkpatrick verändert die Arbeit das Verständnis darüber, wie Galaxien wachsen, insbesondere im Hinblick auf die Milchstraße.

„Unser Schwarzes Loch scheint ziemlich ereignislos zu sein und zeigt nicht viel Aktivität“, sagte sie. „Eine wichtige Frage in Bezug auf die Milchstraße ist, ob sie jemals aktiv war oder eine AGN-Phase durchlief. Wenn die meisten Galaxien, wie unsere, kein nachweisbares AGN haben, könnte das bedeuten, dass unser Schwarzes Loch in der Vergangenheit nie aktiver war. Letztendlich ist das so.“ Das Wissen wird dazu beitragen, die Massen von Schwarzen Löchern einzuschränken und zu messen und Aufschluss über die Ursprünge des Wachstums von Schwarzen Löchern zu geben, die nach wie vor eine unbeantwortete Frage sind.“

Kirkpatrick hat kürzlich viel Zeit auf JWST gewonnen, um mit MIRI eine größere Untersuchung des Feldes Extended Groth Strip durchzuführen. Ihre aktuelle Arbeit umfasste etwa 400 Galaxien. Ihre bevorstehende Durchmusterung (MEGA: MIRI EGS Galaxy und AGN Survey) wird etwa 5.000 Galaxien umfassen. Die Arbeiten sind für Januar 2024 geplant.