Webb entdeckt bislang das am weitesten entfernte aktive supermassereiche Schwarze Loch

Es ist eine Goldgrube: Im Universum wimmelt es nur so von Schwarzen Löchern. Forscher wissen das schon seit langem, aber weniger massereiche Schwarze Löcher, die im frühen Universum existierten, waren zu schwach, um entdeckt zu werden – bis das James Webb-Weltraumteleskop begann, Beobachtungen zu machen. Die Forscher hinter der Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey gehören zu den ersten, die damit begonnen haben, diese hellen, extrem weit entfernten Objekte aus Webbs hochdetaillierten Bildern und Daten herauszusuchen.

Zunächst einmal: Das am weitesten entfernte aktive supermassereiche Schwarze Loch, das jemals gefunden wurde – etwas mehr als 570 Millionen Jahre nach dem Urknall. Es ist eher kleiner und ähnelt eher der Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie als den extrem großen „Monstern“, die wir zuvor mit anderen Teleskopen gesehen haben.

CEERS-Forscher identifizierten außerdem zwei weitere kleine Schwarze Löcher im frühen Universum sowie fast ein Dutzend extrem weit entfernte Galaxien. Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass weniger massereiche Schwarze Löcher und Galaxien im frühen Universum häufiger vorgekommen sein könnten als bisher nachgewiesen.

Forscher haben mit dem James Webb-Weltraumteleskop das bislang am weitesten entfernte aktive supermassereiche Schwarze Loch entdeckt. Die Galaxie CEERS 1019 existierte etwas mehr als 570 Millionen Jahre nach dem Urknall und ihr Schwarzes Loch ist weniger massereich als jedes andere bisher im frühen Universum identifizierte. Darüber hinaus haben sie problemlos zwei weitere Schwarze Löcher „ausgeschüttelt“, die ebenfalls kleiner sind und 1 und 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten.

Webb identifizierte außerdem elf Galaxien, die existierten, als das Universum 470 bis 675 Millionen Jahre alt war. Der Beweis wurde von Webbs Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey unter der Leitung von Steven Finkelstein von der University of Texas in Austin geliefert. Das Programm kombiniert Webbs hochdetaillierte Nah- und Mittelinfrarotbilder und Daten, die als Spektren bekannt sind und die alle für diese Entdeckungen verwendet wurden.

CEERS 1019 zeichnet sich nicht nur dadurch aus, wie lange es her ist, sondern auch durch das relativ geringe Gewicht seines Schwarzen Lochs. Dieses Schwarze Loch hat etwa 9 Millionen Sonnenmassen, weit weniger als andere Schwarze Löcher, die ebenfalls im frühen Universum existierten und von anderen Teleskopen entdeckt wurden. Diese Giganten haben typischerweise mehr als eine Milliarde Sonnenmasse – und sie sind leichter zu erkennen, weil sie viel heller sind. (Sie „fressen“ aktiv Materie, die aufleuchtet, wenn sie in Richtung des Schwarzen Lochs wirbelt.)

Das Schwarze Loch in CEERS 1019 ähnelt eher dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße, das 4,6 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne. Dieses Schwarze Loch ist auch nicht so hell wie die zuvor entdeckten massereicheren Giganten. Obwohl dieses Schwarze Loch kleiner ist, existierte es schon so viel früher, dass es immer noch schwierig ist zu erklären, wie es so kurz nach der Entstehung des Universums entstanden ist.

Forscher wissen seit langem, dass kleinere Schwarze Löcher früher im Universum existiert haben müssen, aber erst als Webb mit der Beobachtung begann, konnten sie endgültige Entdeckungen machen. (CEERS 1019 hält diesen Rekord möglicherweise nur ein paar Wochen – Behauptungen über andere, weiter entfernte Schwarze Löcher, die Webb identifiziert hat, werden derzeit von der astronomischen Gemeinschaft sorgfältig geprüft.)

Die Daten von Webb sind praktisch überfüllt mit präzisen Informationen, die es so einfach machen, diese Bestätigungen aus den Daten zu extrahieren. „Die Betrachtung dieses entfernten Objekts mit diesem Teleskop ähnelt stark der Betrachtung von Daten von Schwarzen Löchern, die in Galaxien in der Nähe unserer eigenen existieren“, sagte Rebecca Larson von der University of Texas in Austin, die diese Entdeckung leitete. „Es gibt so viele Spektrallinien zu analysieren!“

Das Team konnte nicht nur entschlüsseln, welche Emissionen im Spektrum vom Schwarzen Loch und welche von seiner Muttergalaxie stammen, sondern auch feststellen, wie viel Gas das Schwarze Loch aufnimmt, und die Sternentstehungsrate seiner Galaxie bestimmen.

Das Team stellte fest, dass diese Galaxie so viel Gas wie möglich aufnimmt und gleichzeitig neue Sterne produziert. Sie wandten sich den Bildern zu, um herauszufinden, warum das so sein könnte. Visuell erscheint CEERS 1019 als drei helle Klumpen und nicht als eine einzige kreisförmige Scheibe. „Wir sind es nicht gewohnt, bei diesen Entfernungen so viel Struktur in Bildern zu sehen“, sagte CEERS-Teammitglied Jeyhan Kartaltepe vom Rochester Institute of Technology in New York.

„Eine Galaxienverschmelzung könnte teilweise dafür verantwortlich sein, die Aktivität im Schwarzen Loch dieser Galaxie anzukurbeln, und das könnte auch zu einer verstärkten Sternentstehung führen.“

Weitere extrem weit entfernte Schwarze Löcher und Galaxien treten auf den Plan

Die CEERS-Umfrage ist umfangreich und es gibt noch viel mehr zu entdecken. Teammitglied Dale Kocevski vom Colby College in Waterville, Maine, und das Team entdeckten in den Daten schnell ein weiteres Paar kleiner Schwarzer Löcher. Der erste innerhalb der Galaxie CEERS 2782 war am einfachsten zu erkennen. Es gibt keinen Staub, der Webbs Sicht darauf versperrt, sodass Forscher sofort feststellen konnten, wann dieses Schwarze Loch in der Geschichte des Universums existierte – nur 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Das zweite Schwarze Loch in der Galaxie CEERS 746 existierte etwas früher, eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Seine helle Akkretionsscheibe, ein Ring aus Gas und Staub, der sein supermassereiches Schwarzes Loch umgibt, ist immer noch teilweise von Staub getrübt. „Das zentrale Schwarze Loch ist sichtbar, aber das Vorhandensein von Staub deutet darauf hin, dass es in einer Galaxie liegen könnte, die ebenfalls heftig Sterne ausstößt“, erklärte Kocevski.

Wie das in CEERS 1019 sind auch diese beiden Schwarzen Löcher „Leichtgewichte“ – zumindest im Vergleich zu bisher bekannten supermassereichen Schwarzen Löchern in diesen Entfernungen. Sie sind nur etwa 10 Millionen Mal so groß wie die Masse der Sonne. „Forscher wissen seit langem, dass es im frühen Universum schwarze Löcher mit geringerer Masse geben muss. Webb ist das erste Observatorium, das sie so deutlich erfassen kann“, fügte Kocevski hinzu. „Jetzt glauben wir, dass es überall schwarze Löcher mit geringerer Masse geben könnte, die darauf warten, entdeckt zu werden.“

Vor Webb waren alle drei Schwarzen Löcher zu schwach, um entdeckt zu werden. „Mit anderen Teleskopen sehen diese Ziele wie gewöhnliche Sternentstehungsgalaxien aus, nicht wie aktive supermassereiche Schwarze Löcher“, fügte Finkelstein hinzu.

Webbs empfindliche Spektren ermöglichten es diesen Forschern auch, genaue Entfernungen und damit das Alter von Galaxien im frühen Universum zu messen. Die Teammitglieder Pablo Arrabal Haro vom NOIRLab der NSF und Seiji Fujimoto von der University of Texas in Austin identifizierten 11 Galaxien, die 470 bis 675 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Sie sind nicht nur extrem weit entfernt, sondern auch die Tatsache, dass so viele helle Galaxien entdeckt wurden, ist bemerkenswert.

Forscher stellten die Theorie auf, dass Webb weniger Galaxien entdecken würde, als in diesen Entfernungen gefunden werden. „Ich bin überwältigt von der Menge an hochdetaillierten Spektren entfernter Galaxien, die Webb zurückgesandt hat“, sagte Arrabal Haro. „Diese Daten sind absolut unglaublich.“

Diese Galaxien bilden schnell Sterne, sind aber noch nicht so chemisch angereichert wie Galaxien, die viel näher an ihrer Heimat liegen. „Webb war der erste, der einige dieser Galaxien entdeckte“, erklärte Fujimoto. „Diese Gruppe könnte zusammen mit anderen entfernten Galaxien, die wir möglicherweise in Zukunft identifizieren, unser Verständnis der Sternentstehung und Galaxienentwicklung im Laufe der kosmischen Geschichte verändern“, fügte er hinzu.

Dies sind nur die ersten bahnbrechenden Erkenntnisse der CEERS-Umfrage. „Bisher war die Erforschung von Objekten im frühen Universum weitgehend theoretisch“, sagte Finkelstein. „Mit Webb können wir nicht nur schwarze Löcher und Galaxien in extremen Entfernungen sehen, wir können jetzt auch damit beginnen, sie genau zu vermessen. Das ist die enorme Leistung dieses Teleskops.“

Es ist möglich, dass Webbs Daten in Zukunft auch zur Erklärung der Entstehung früher Schwarzer Löcher verwendet werden könnten, indem die Modelle der Forscher über das Wachstum und die Entwicklung Schwarzer Löcher in den ersten mehreren hundert Millionen Jahren der Geschichte des Universums überarbeitet werden.

Mehrere Artikel zu CEERS-Umfragedaten wurden von der angenommen Astrophysikalische Tagebuchbriefe. Sie sind derzeit auf der verfügbar arXiv Preprint-Server.