Unerwartet massereiche Schwarze Löcher dominieren kleine Galaxien im fernen Universum

Astronomen haben herausgefunden, dass die supermassiven Schwarzen Löcher in den Zentren früher Galaxien viel massereicher sind als erwartet. Diese überraschend gewaltigen Schwarzen Löcher bieten neue Einblicke in die Ursprünge aller supermassereichen Schwarzen Löcher sowie in die frühesten Stadien des Lebens ihrer Muttergalaxie.

In nahegelegenen, reifen Galaxien wie unserer Milchstraße übersteigt die Gesamtmasse der Sterne die Masse des großen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie um etwa 1.000 zu 1 bei weitem. In den neu entdeckten entfernten Galaxien sinkt dieser Massenunterschied jedoch auf 100 oder 100 % 10 zu 1 und sogar 1 zu 1, was bedeutet, dass das Schwarze Loch der Gesamtmasse der Sterne seiner Muttergalaxie entsprechen kann.

Dieses Bild unerwartet massereicher Schwarzer Löcher in jungen Galaxien stammt vom James Webb Space Telescope (JWST), dem neuesten Flaggschiff-Observatorium der NASA. Bis JWST, das Ende 2021 startete, beschränkten sich Astronomen bei ihrer Untersuchung entfernter Schwarzer Löcher im Allgemeinen auf erstaunlich helle Quasare, die aus riesigen, Materie verschlingenden Schwarzen Löchern bestehen, die die Sterne in ihren Muttergalaxien völlig in den Schatten stellen.

„Mit JWST können wir nun endlich masseärmere, aber immer noch supermassereiche Schwarze Löcher in kleinen, weit entfernten Galaxien beobachten und wir können auch die Sterne in diesen Wirtsgalaxien sehen“, sagt Fabio Pacucci, Clay Fellow am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA). „Dies ermöglicht es uns zum ersten Mal, frühe Schwarze Löcher und ihre Wirtsgalaxien zu untersuchen, während sie sich gemeinsam entwickeln.“

Pacucci ist der Hauptautor von a neue Studie veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe berichtete über die Ergebnisse und präsentierte diese Ergebnisse auf der 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans, LA.

„Wir haben gelernt, dass entfernte, junge Galaxien das Verhältnis zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Sternmasse verletzen, das in nahen, reifen Galaxien sehr gut etabliert ist: Diese urzeitlichen Schwarzen Löcher sind im Vergleich zur Sternpopulation ihrer Wirte zweifellos übermassiv“, sagt Roberto Maiolino , Professor an der Universität Cambridge (UK) und Mitautor der Studie. „Mit JWST wird es möglich sein, genau zu bestimmen, wie die ersten supermassiven Schwarzen Löcher entstanden sind, indem wir Schwarze Löcher finden, die weiter entfernt und kleiner sind als die bisher gefundenen, und von denen unsere Studie eine ziemlich große Zahl vorhersagt.“

Für die Studie führten Pacucci und Kollegen eine statistische Analyse einer Reihe von 21 Galaxien durch, die etwa 12 bis 13 Milliarden Lichtjahre entfernt waren und durch drei veröffentlichte JWST-Durchmusterungen beobachtet wurden.

Diese 21 Galaxien beherbergen zentrale Schwarze Löcher mit typischen Massen, die schätzungsweise mehrere zehn oder hundert Millionen Mal so groß sind wie die unserer Sonne – immer noch supermassereich, aber im Vergleich zu den Schwarzen Löchern, die die meisten der bisher beobachteten entfernten Quasare antreiben, die über Milliarden verfügen, vergleichsweise mickrig mal die Masse der Sonne.

„Insgesamt sehen wir, dass Schwarze Löcher in den vom JWST beobachteten jungen Galaxien etwa zehn- bis hundertmal massereicher sind, als die Skalierungsbeziehung im lokalen Universum vorhersagt“, sagt Xiaohui Fan, Professor an der University of Arizona und Co- Autor der Studie. „Das Verhältnis der Sternmasse zur Masse des Schwarzen Lochs in frühen Galaxien war damals, vor mehr als einem Dutzend Milliarden Jahren, viel geringer als heute. Dieses Ergebnis hat wichtige Implikationen für die Untersuchung der ersten Population von Schwarzen Löchern.“

Eine genaue Schätzung dieses Verhältnisses sollte Aufschluss darüber geben, wie supermassive Vorläufer von Schwarzen Löchern – sogenannte Samen von Schwarzen Löchern – entstanden sind. Im Großen und Ganzen haben Astronomen zwei Hauptwege skizziert: „leichte“ oder „schwere“ Samen.

Leichte Samen Schwarzer Löcher hätten eine relativ geringe Masse gehabt, etwa das 100- bis 1.000-fache der Sonnenmasse. Diese Lichtkeime wären als Überreste der allerersten kolossalen Sterne des Universums entstanden. Am anderen Ende hätten schwere Samen Schwarzer Löcher etwa 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen erzeugt. Solche kräftigen Samen entstanden theoretisch durch den direkten Gravitationskollaps titanischer Gaswolken.

Indem die schwere Saatroute die Voraussetzungen für Wachstum von einem viel höheren Ausgangspunkt aus schafft, sollte sie die rechtzeitige Bildung der sehr frühen supermassiven Schwarzen Löcher erleichtern, die das Forscherteam in den letzten zwanzig Jahren in immer größeren Entfernungen entdeckt hat. Die neuen Erkenntnisse zu übermassiven Schwarzen Löchern verleihen der Idee der schweren Samen Glaubwürdigkeit, da Simulationen und theoretische Berechnungen dieses Pfades voraussagen, dass Schwarze Löcher ungefähr so ​​massereich oder sogar massereicher sein sollten als die Sternkomponente der jungen Galaxien, in denen sie leben.

Wie dann Galaxien Gestalt annahmen und sich um die urzeitlichen Samen des Schwarzen Lochs herum entwickelten, bleibt eine völlig offene astrophysikalische Frage. Sind die Schwarzen Löcher hauptsächlich durch das Ansaugen von Gas oder durch Fusionen mit anderen Schwarzen Löchern gewachsen? Und hat sich die Sternmasse größtenteils innerhalb der Galaxie aufgebaut, oder waren Verschmelzungen mit anderen, größeren Galaxien nötig? Pacucci und dieses Team gehen jedoch davon aus, dass sich mit weiteren JWST-Studien erste Antworten ergeben werden.

„Im Laufe der kosmischen Zeit wissen wir, dass sich das Verhältnis der Sternmasse zur Masse des Schwarzen Lochs zunehmend dem lokalen Verhältnis von 1.000 zu 1 des modernen Universums annähert. Dies geschieht, wenn sich das Schwarze Loch und sein galaktisches Wirtssystem gemeinsam entwickeln, mit anderen Galaxien verschmelzen und.“ Legionen von Sternen bilden“, sagt Pacucci. „Wir arbeiten immer noch daran, tief genug in das Universum zu blicken, um herauszufinden, wie alles begann.“

Co-Autoren des Papiers sind neben Xiaohui Fan und Roberto Maiolino Bao Nguyen von der University of Arizona und Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore in Pisa, Italien. Bei den verwendeten JWST-Umfragen handelte es sich um den JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), den Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) und den Galaxy Assembly with NIRSpec IFS Survey (GA-NIFS).