Was war zuerst da: Schwarze Löcher oder Galaxien?

Schwarze Löcher existierten nicht nur zu Beginn der Zeit, sie brachten auch neue Sterne hervor und beschleunigten die Bildung von Galaxien, wie eine neue Analyse der Daten des James Webb-Weltraumteleskops zeigt.

Die Erkenntnisse stellen Theorien darüber, wie Schwarze Löcher den Kosmos formen, auf den Kopf und stellen das klassische Verständnis in Frage, dass sie sich nach der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien gebildet haben. Stattdessen könnten Schwarze Löcher die Geburt neuer Sterne in den ersten 50 Millionen Jahren des Universums, einem flüchtigen Zeitraum in seiner 13,8 Milliarden Jahre umfassenden Geschichte, dramatisch beschleunigt haben.

„Wir wissen, dass diese riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien in der Nähe unserer Milchstraße existieren, aber die große Überraschung ist jetzt, dass sie auch am Anfang des Universums vorhanden waren und fast wie Bausteine ​​oder Keime für frühe Galaxien waren“, sagte er Hauptautor Joseph Silk, Professor am Fachbereich Physik und Astronomie der Johns Hopkins University und am Institut für Astrophysik, Paris, Sorbonne-Universität. „Sie haben wirklich alles beschleunigt, wie gigantische Verstärker der Sternentstehung, was eine völlige Kehrtwende von dem darstellt, was wir vorher für möglich gehalten haben – und zwar so sehr, dass dies unser Verständnis darüber, wie Galaxien entstehen, völlig auf den Kopf stellen könnte.“

Das Werk ist neu im erschienen Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Entfernte Galaxien aus dem sehr frühen Universum, die mit dem Webb-Teleskop beobachtet werden, erscheinen viel heller als von Wissenschaftlern vorhergesagt und weisen ungewöhnlich viele junge Sterne und supermassereiche Schwarze Löcher auf, sagte Silk.

Konventionelle Erkenntnisse gehen davon aus, dass sich Schwarze Löcher nach dem Kollaps supermassereicher Sterne bildeten und dass Galaxien entstanden, nachdem die ersten Sterne das dunkle frühe Universum erleuchteten. Die Analyse von Silks Team legt jedoch nahe, dass Schwarze Löcher und Galaxien in den ersten 100 Millionen Jahren nebeneinander existierten und sich gegenseitig in ihrem Schicksal beeinflussten. Wenn die gesamte Geschichte des Universums ein 12-Monats-Kalender wäre, wären diese Jahre wie die ersten Januartage, sagte Silk.

„Wir argumentieren, dass Schwarze Löcher zerkleinerte Gaswolken ausströmen lassen, sie in Sterne verwandeln und die Geschwindigkeit der Sternentstehung erheblich beschleunigen“, sagte Silk. „Ansonsten ist es sehr schwer zu verstehen, woher diese hellen Galaxien kommen, weil sie im frühen Universum normalerweise kleiner sind. Warum um alles in der Welt sollten sie so schnell Sterne bilden?“

Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass sich ihrer Anziehungskraft nichts entziehen kann, nicht einmal Licht. Aufgrund dieser Kraft erzeugen sie starke Magnetfelder, die heftige Stürme erzeugen, turbulentes Plasma ausstoßen und letztendlich wie enorme Teilchenbeschleuniger wirken, sagte Silk. Dieser Prozess, sagte er, sei wahrscheinlich der Grund dafür, dass Webbs Detektoren mehr dieser Schwarzen Löcher und hellen Galaxien entdeckt haben, als Wissenschaftler erwartet hatten.

„Wir können diese heftigen Winde oder Jets nicht weit entfernt sehen, aber wir wissen, dass sie vorhanden sein müssen, weil wir schon früh im Universum viele Schwarze Löcher sehen“, erklärte Silk. „Diese enormen Winde, die von den Schwarzen Löchern ausgehen, zerdrücken nahegelegene Gaswolken und verwandeln sie in Sterne. Das ist das fehlende Glied, das erklärt, warum diese ersten Galaxien so viel heller sind, als wir erwartet hatten.“

Silks Team sagt voraus, dass das junge Universum zwei Phasen hatte. Während der ersten Phase beschleunigten schnelle Ausflüsse von Schwarzen Löchern die Sternentstehung, in einer zweiten Phase verlangsamten sich die Ausflüsse. Einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall kollabierten Gaswolken aufgrund supermassiver magnetischer Schwarzlochstürme, und neue Sterne wurden mit einer Geschwindigkeit geboren, die weit über der Rate liegt, die Milliarden Jahre später in normalen Galaxien beobachtet wurde, sagte Silk. Die Sternentstehung habe sich verlangsamt, weil diese starken Ausflüsse in einen Energieerhaltungszustand übergegangen seien, sagte er, wodurch das für die Sternentstehung in Galaxien verfügbare Gas reduziert worden sei.

„Wir dachten, dass am Anfang Galaxien entstanden, als eine riesige Gaswolke kollabierte“, erklärte Silk. „Die große Überraschung ist, dass sich in der Mitte dieser Wolke ein Samenkorn befand – ein großes Schwarzes Loch – und das dazu beitrug, den inneren Teil dieser Wolke schnell und viel schneller in Sterne zu verwandeln, als wir jemals erwartet hatten. Und so entstanden die ersten Galaxien.“ sind unglaublich hell.“

Das Team geht davon aus, dass künftige Beobachtungen des Webb-Teleskops mit genaueren Zählungen von Sternen und supermassereichen Schwarzen Löchern im frühen Universum zur Bestätigung ihrer Berechnungen beitragen werden. Silk geht davon aus, dass diese Beobachtungen den Wissenschaftlern auch dabei helfen werden, weitere Hinweise auf die Entwicklung des Universums zu finden.

„Die große Frage ist, was waren unsere Anfänge? Die Sonne ist einer von 100 Milliarden Sternen in der Milchstraße, und in der Mitte befindet sich auch ein riesiges Schwarzes Loch. Welche Verbindung besteht zwischen den beiden?“ er sagte. „Innerhalb eines Jahres werden wir viel bessere Daten haben und viele unserer Fragen werden Antworten finden.“

Zu den Autoren gehören Colin Norman und Rosemary FG Wyse von Johns Hopkins; Mitchell C. Begelman von der University of Colorado und dem National Institute of Standards and Technology; und Adi Nusser vom Israel Institute of Technology.