"Das supermassereiche Schwarze Loch ist 40 Millionen Mal so massiv wie die Sonne und treibt einen Quasar an, der 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.
Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben Astronomen ein „extrem rotes“ supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das im schattigen, frühen Universum wächst.
Der rote Farbton des supermassiven Schwarzen Lochs, wie er etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah, ist das Ergebnis der Expansion des Universums. Während sich das Universum in alle Richtungen ausdehnt, wird das auf uns zukommende Licht „rotverschoben“, und das rotverschobene Licht deutet in diesem Fall auf einen Mantel aus dickem Gas und Staub hin, der das Schwarze Loch umhüllt.
Durch die Untersuchung von JWST-Daten konnte das Astronomieteam unter der Leitung von Lukas Furtak und Adi Zitrin von der Ben-Gurion-Universität des Negev auch die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs bestimmen. Mit etwa 40 Millionen Sonnenmassen ist er im Vergleich zur Galaxie, in der er sich befindet, unerwartet massereich.
Das Team fand außerdem heraus, dass das supermassereiche Schwarze Loch, dessen Licht etwa 12,9 Milliarden Lichtjahre unterwegs war, sich schnell an dem Gas und Staub um es herum labt. Mit anderen Worten: Es wächst.
„Wir waren sehr aufgeregt, als JWST begann, seine ersten Daten zu senden. Wir scannten die eintreffenden Daten für das UNCOVER-Programm, und drei sehr kompakte, aber rot blühende Objekte stachen deutlich hervor und erregten unsere Aufmerksamkeit“, sagte Furtak in einer Erklärung. „Ihre ‚rote Punkt‘-Erscheinung ließ uns sofort vermuten, dass es sich um ein Quasar-ähnliches Objekt handelte.“
Die „drei roten Punkte“
Quasare entstehen, wenn große Mengen an Materie supermassereiche Schwarze Löcher wie dieses umgeben. Diese Materie bildet eine Scheibe aus Gas und Staub, eine sogenannte Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch nach und nach speist. Der enorme Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs wirbelt diese Materie auf, erzeugt hohe Temperaturen und bringt sie zum Leuchten.
Darüber hinaus wird Materie, die nicht in das supermassereiche Schwarze Loch fällt, zu den Polen des kosmischen Titanen geleitet. Teilchen in diesen Regionen werden als hochkollimierte Jets auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die der Lichtgeschwindigkeit nahekommen. Beim Ausstoß dieser relativistischen Jets werden die Eruptionen von hellen elektromagnetischen Emissionen begleitet.
Als Folge dieser Phänomene sind Quasare, die von supermassiven Schwarzen Löchern in aktiven Galaxienkernen (AGN) angetrieben werden, oft so hell, dass das von ihnen emittierte Licht oft das kombinierte Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie überstrahlt.
Die enorme Strahlungsmenge, die um dieses besonders massereiche Schwarze Loch herum emittiert wird, führte dazu, dass es in den JWST-Daten ein kleines punktförmiges Aussehen annahm.
„Die Analyse der Farben des Objekts ergab, dass es sich nicht um eine typische Sternentstehungsgalaxie handelte. Dies stützte die Hypothese eines supermassereichen Schwarzen Lochs weiter“, sagte Rachel Bezanson von der University of Pittsburgh und Co-Leiterin des UNCOVER-Programms. „Zusammen mit seiner kompakten Größe wurde deutlich, dass es sich wahrscheinlich um ein supermassereiches Schwarzes Loch handelte, obwohl es sich immer noch von anderen Quasaren unterschied, die zu dieser frühen Zeit gefunden wurden.“
Der frühe Quasar wäre nicht einmal für das leistungsstarke Infrarotauge des JWST sichtbar gewesen, ohne ein wenig Hilfe durch einen von Albert Einstein 1915 vorhergesagten Effekt.
Einsteins Linse
Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit großer Masse das eigentliche Gefüge von Raum und Zeit verzerren, die tatsächlich zu einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind. Die Theorie geht weiter davon aus, dass die Schwerkraft als Folge dieser Krümmung entsteht. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto „extremer“ ist die Krümmung der Raumzeit.
Diese Krümmung läßt Planeten nicht nur sich um ihre Sterne bewegen und Sterne um die Zentren ihrer Heimatgalaxien, sondern verändert auch die Wege des Lichts, das von diesen Sternen kommt.
Je näher sich das Licht dem Masseobjekt nähert, desto stärker „gekrümmt“ ist seine Bahn. Verschiedene Lichtwege von einem einzelnen Hintergrundobjekt können somit durch ein Vordergrund- oder „Linsenobjekt“ gebogen werden und das Erscheinungsbild der Position des Hintergrundobjekts verändern. Manchmal kann der Effekt sogar dazu führen, dass das Hintergrundobjekt an mehreren Stellen im selben Bild des Himmels erscheint. In anderen Fällen wird das Licht des Hintergrundobjekts einfach verstärkt und das Objekt vergrößert.
Dieses Phänomen ist als „Gravitationslinseneffekt“ bekannt.
In diesem Fall verwendete das JWST einen Galaxienhaufen namens Abell 2744 als Vordergrundlinsenkörper, um das Licht von Hintergrundgalaxien zu verstärken, die sonst zu weit entfernt wären, um gesehen zu werden. Dies enthüllte den extrem roten Quasar, den sie im Visier hatten, ursprünglich in Form von drei roten Punkten.
„Wir verwendeten ein numerisches Linsenmodell, das wir für den Galaxienhaufen erstellt hatten, um zu bestimmen, dass die drei roten Punkte mehrere Bilder derselben Hintergrundquelle sein mussten, die gesehen wurde, als das Universum erst etwa 700 Millionen Jahre alt war“, sagte Zitrin.
Eine weitere Analyse der Hintergrundquelle ergab, dass ihr Licht aus einer kompakten Region stammen musste.
„Das gesamte Licht dieser Galaxie muss in einen winzigen Bereich von der Größe eines heutigen Sternhaufens passen. Die Vergrößerung der Quelle durch den Gravitationslinseneffekt gab uns außerordentliche Grenzen für die Größe“, sagte Teammitglied und Forscherin der Princeton University, Jenny Greene, in der Pressemitteilung. „Selbst wenn man alle möglichen Sterne in einer so kleinen Region zusammenfasst, macht das Schwarze Loch am Ende mindestens 1 % der Gesamtmasse des Systems aus.“
Die Entdeckung trägt weiter zum Rätsel bei, wie supermassereiche Schwarze Löcher, die Millionen (oder sogar Milliarden) mal so massiv sein können wie die Sonne, in der Kindheit des Universums zu solch gewaltigen Größen heranwuchsen.
„Es wurde nun festgestellt, dass mehrere andere supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum ein ähnliches Verhalten zeigen, was zu einigen faszinierenden Einblicken in das Wachstum des Schwarzen Lochs und der Wirtsgalaxie sowie das Zusammenspiel zwischen ihnen führt, das noch nicht gut verstanden ist“, sagte Greene .
Das JWST hat im Laufe der Zeit eine Fülle von „kleinen roten Punkten“ entdeckt. Dies könnte auch darauf hindeuten, dass supermassereiche, von Schwarzen Löchern angetriebene Quasare im frühen Universum gespeist werden, was möglicherweise darauf hindeutet, dass ein verblüffendes Rätsel um das Wachstum von Schwarzen Löchern bald gelöst werden könnte.
„In gewisser Weise ist es das astrophysikalische Äquivalent des Henne-Ei-Problems“, schloss Zitrin. „Wir wissen derzeit nicht, was zuerst da war – die Galaxie oder das Schwarze Loch, wie massiv die ersten Schwarzen Löcher waren und wie sie wuchsen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 14. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht."
A high black hole to host mass ratio in a lensed AGN in the early Universe | Nature
Besser wäre- das Licht war 12,9 Milliarden Jahre unterwegs oder es hat eine Strecke von 12,9 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt